動能定理:
“質點”動能的增量(即:變化量)等於該質點所受“外力”所做的“總功”。
系統動能定理:
“質點系”總動能的改變量,等於質點系所有外力做功之和加上所有內力做功之和。
系統“內力”的特點:
根據“牛頓第三定律”,我們知道,物體與物體之間的力是相互的,稱作“相互作用力”,它們“等大”、“反向”、“作用在同一條直線上”,作用在不同的物體上。
系統由多個質點組成,質點與質點之間的“相互作用力”稱為“內力”。
以“系統”作為研究對象來說,系統內所有質點之間的內力都是成對出現的,必然都“等大”、“反向”、“作用在同一條直線上”,那麼所有內力的“合力”就一定為“0”;所有“內力”的“合衝量”也一定為“0”。
即:系統所有內力之和為0,所有內力的衝量之和為0。
如圖:空間中3個正電荷,它們兩兩之間的相互作用力分別用不同的顏色標出。這6個力稱為三個質點之間的內力,根據牛頓第三定律它們兩兩等大反向,所以這6個力的合力必定是“0”。這6個力的合衝量(合力乘以時間)也必定是“0”。
(沒有作用在同一個物體上的力也能合成嗎?選擇某一質點為研究對象時,當然不能;但是,這裡的對象是“系統”,作用在系統內任何一個質點上的力,都可以認為是作用在系統上,所以可以合成。就像作用在手上的力,作用在腳上的力,都可以說成是作用在“人”上的力。)
內力做的功之和等於0嗎?
不一定
需要看各個質點的位移情況。
圖一,庫倫內力對兩個電荷都做正功
圖二,滑動摩擦內力對兩物體都做負功
圖三,滑動摩擦力對木塊不做功,對木板做負功。
所以:
內力做功之和不一定為零!要看各個質點的實際位移情況!
系統動能定理:
推導過程如下,
分析:如圖1,
對A、B兩物體分別列動能定理表達式,將兩式相加得,系統動能定理表達式:
即:
系統動能定理:
“質點系”總動能的改變量,等於質點系所有外力做功之和加上所有內力做功之和。
應用:
例1:如圖所示,木板長度為L,已知m開始靜止,M初速度vo,m與M之間的摩擦因素為μ,地面光滑,求m不從M上滑下木板的長度L應滿足?
分析:(系統外力不做功)
系統動量守恆:
系統動能定理:
兩式聯立即可解得:
例2:如圖所示,質量為M的卡車,載一質量為m的木箱,以速率v沿平直路面行駛,因故剎車後,車輪立即停止轉動,卡車和木箱都向前滑行,木箱在卡車上的滑行距離為l。已知木箱與卡車、卡車與地面的滑動摩擦因數分別為μ1和μ2,求卡車的滑行距離L。
分析:(系統 內力外力均做功)
系統動能定理:
變形即可得出L的值。(讀者自行解得!)
例3:如圖所示,豎直平面內有一根直角杆AOB,杆的水平部分粗糙,動摩擦因數μ=0.2,杆豎直部分光滑,兩部分各套有質量均為2kg的滑環A和B,兩環間用細繩相連,繩長L=1m,開始時繩與豎直杆的夾角θ為37°.現用大小為50N的水平恆力F將滑環A從靜止開始向右拉動,當θ角增大到53°時,滑環A的速度為1.2m/s,求在這一過程中拉力F做的功及滑環A克服摩擦力所做的功.
分析:(系統內力不做功)
繩子拉力對兩物體做功的代數和為0。(輕杆、輕繩,沒有質量,不發生形變對兩端作用的兩個物體做功的代數和為0。輕彈簧雖然沒有質量,但是可以形變所以對兩端的物體做功的代數和不一定為零,與彈簧的形變量有關!)
拉力F為恆力,所以有:
摩擦力為變力!
系統動能定理:
解得:
總結:
①根據例題123可得,無論系統的內力、外力做不做功,都可以用系統動能定理的方法解題。
②“系統動能定理”的難點在於——對“內力”做功的理解
③“系統動能定理”與“能量守恆定理”所列的方程是等價的。解題時,能用系統動能定理,同樣也可以運用能量守恆定律解題。
④將“系統動能定理”、“系統動量定理”、“系統牛頓第二定律”三個關於系統的定律放在一起學習,有助於同學們理解物理定律的本質,提升思維能力!
(“系統動量定理”、“系統牛頓第二定律”的應用以後會陸續推出!)