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大学物理 第四章功和能(必看)


例 题 13
13、某弹簧不遵守胡克定律,设施力 F ,相应伸长 为 x ,弹力与伸长的关系为 F 3x 2 。 求: 1)将弹簧从伸长 x1 1m 拉伸到伸长 x2 2m 时,弹 簧弹力所做的功; 2)以弹簧的原长为弹簧的势能零点,求弹簧伸长 时具有的势能。
x
解: 1)由功的定义:
A (M m) gh
A 19600J
例 题 10
10、一质量为m 10kg 的物体沿 x 轴无摩擦的运动, 设 t 0 时,物体位于原点,速度为零,求物体在与 位置有关的力 F 3 4 x(SI ) 作用下移到 x 3 处时, 它的速度和加速度为多少? 解: 由动能定理: A Ek
m1 由(1),(3),(4)解得: v3 m 5 gl 2
2 2
(3)
(4)
例 题 16 16、如图所示,质量为 m 的陨石从距离地面高 h 处
由静止开始向地面下落(忽略空气阻力), 求:1)陨石下落到地面过程中,万有引力作功? 2)陨石落地时的速度大小?
h
R
解: 1)法一:保守力作功: 1 1 A EP GMm( ) R Rh 法二:功的定义 A F dr
(D) mgtg 2 gh
mg
解:
P F v mgv cos( ) 2 1 2 mv mgh 2
3、一个质点同时在几个力作用下的位为 r 4i 5 j 6k 其中一个力为恒力 F 3i 5 j 9k(SI),则此力在该
2
o
R
B
例 题 12
12、一弹簧原长 l0 0.1m ,劲度系数k 50N / m ,其 一 端固定在半径为
R 0.1m
的半圆环的端点A,另一端
与一套在半圆环上的小环相连。在把小环由半圆环
B 中点B移到另一端C的过程中,弹簧的拉力对小环所
作功为 解:保守力作功
J。
A
R
C O
1 2 2 A E p k (xB xC ) 0.21J 2
v2
2GMr1 r2 (r1 r2 )
法二:
1 Mm 1 Mm 2 2 mv1 G mv2 G 2 r1 2 r2
2 mv 万有引力提供向心力: 1
1
GMm r12
GMm r22
2 mv2
2
近日点和远日点的运动轨迹的曲率半径相等,即: 1 2 解得: v1
两者作功的代数和必为零。
(A)(1)(2)是正确的 (B)(2)(3)是正确的 (C)只有(2)是正确的 (D)只有(3)是正确的
例题2
2、如图所示,木块m沿固定的光滑斜面(倾角为 ) 下滑,当下降h高度时,重力的瞬时功率( (A) mg 2 gh (B) mg cos 2 gh
h

v
(C) mg sin 2 gh
2GMr2 r1 (r1 r2 )
v2
2GMr1 r2 (r1 r2 )
例 题 18
E Ek E p
动能定理:
质点动能定理:合外力对质点所做的功等于质点动 能的增量,即:
AAB F dr EkB EkA
A B
质点系动能定理:所有外力对质点系做的功和内力
对质点系做的功之和等于质点系总动能的增量。
A外 A内 Ekt Ek 0
功能原理:系统机械能的增量等于外力的功和非保
第四章
功和能 教学基本要求 基本概念
例题分析
一、教学基本要求 掌握功的概念,能计算直线运动情况下变 力的功。
理解保守力作功的特点及势能的概念,会
计算重力、弹性力和万有引力的势能。
掌握质点的动能定理,并能用它分析简单
问题,掌握机械能守恒定律,掌握运用守恒定
律分析问题的思想和方法。
二、基本概念

机械能
F
GMm 1 1 A cos dr GMm( ) 2 Rh r R Rh
R
2)动能定理:
1 2 A mv 0 v 2
2GMh ( R h) R
例 题 17
17、人造地球卫星绕地球作椭圆运动,近地点和远 地点距地心距离分别为 r1和 r2 ,设地球质量为 M , 万有引力常数为G, 求:1)卫星在近地点和远地点处万有引力势能之 差为多少?2)卫星在近地点和远地点速度大小分 别为多少?
功率
动能
保守力
势能
动能定理 功能பைடு நூலகம்理 机械能守 恒定律
功 力对质点作的功定义为力在位移方向上的分量与该 位移大小的乘积。有:
AAB
dA F dr F cos dr

B
A
F dr
平均功率和瞬时功率
平均功率:作功 A与完成这些功所用时间 t 的比值
A P t
守内力功的总和,即:
Ae+Aid E
机械能守恒定律:如果系统内只有保守力作功,其 它内力和一切外力都不作功,则系统内各物体的动
能和势能可以相互转换,但机械能总值保持不变。
1、对功的概念有下列几种说法正确的是(
三、例题分析 例题1

(1)保守力作正功时,系统内相应的势能增加; (2)质点运动经一闭合路径,保守力对质点作的功 为零; (3)作用力和反作用力大小相等、方向相反,所以
r2
r1
解: 1)
EP近 - EP远
GMm GMm 1 1 ( ) ( ) GMm( ) r1 r2 r2 r1
2)法一:
1 Mm 1 Mm 2 机械能守恒: mv12 G mv2 G 2 r1 2 r2
角动量守恒:
解得: v1
mv1r1 mv2 r2
2GMr2 r1 (r1 r2 )
3)在加速 t 1.0s以后,起重机匀速上升。求再上升
h 10m 的过程中,电动机又作了多功?
解: 1)根据牛顿第二定律:
T1 Mg aM T1 13560 N
mg T2 am T2 8300 N
T1
h
T2
2)根据功能原理: m M 1 A (m M )v 2 ( M m) gh 2 1 2 电梯作匀加速运动,所以: v at h at 2 解得: A 3945J 3)根据功能原理:
1 2 2 ( 3 4 x ) dx m ( v v t 0) 0 2 F a a 1.5m / s 2 m
3
vt 2.32m / s
例 题 11
11、如图一质点质量为 m 在半径为 R 的半球形容器 中,由静止开始自边缘上的A点滑下,到达最低点B 时,它对容器的正压力数值为 N ,则质点自A滑到 B 的过程中摩擦力作功为多少? 2 mvB 解: B点: N mg A R 动能定理: A f AG Ek 1 2 A f mgR mvB 2 1 所以: Af ( N 3mg ) R
x
10
m m水 m桶 0.2 x 10 0.2 x
0
功的定义: A
10 0

10
0
F dr
A (10 0.2 x) gdx 882 J
2)加速运动时,满足: F mg ma
F
则: F (10 0.2 x)( g a)
a
mg
功的定义: A
10 0

10
0
F dr
A 10(10 0.2 x)dx 900 J
9、电梯由一个起重间与一个配重组成。它们分别系
例题9
在一根绕过定滑轮的钢缆的两端,如图所示。起重间
(包括负载)的质量M 1200kg,配重的质量m 1000kg 此电梯由和定滑轮同轴的电动机所驱动。假定起重间 由低层从静止开始加速上升,加速度 a 1.5m / s 2 。求: 1)这时滑轮两侧钢缆中的拉力各是多少? 2)加速时间t 1.0s ,在此时间内电动机所作功是多 少?(忽略滑轮和钢缆的质量)
o
解: 1)木塞飞出瞬间,动量守恒:
1 m1v12 m1 g 2l 2
0 m1v1 m2v2 (1)
(2)
试管做圆周运动过程,机械能守恒,
由(1),(2)解得:
2m1 v2 m2
gl
2)当木棒换成细绳时,到最高点时满足: 2 m1v3 m1 g l 1 1 2 2 机械能守恒: m1v1 m1 g 2l m1v3
瞬时功率:Δt → 0 时平均功率的极限值称为t时刻
的瞬时功率。
p F v
动能:物体做机械运动而具有的能量,称为动能, 记为:
Ek
1 mv 2 2
保守力:如果一对力的功与相对路径的形状无关, 只决定于相互作用质点的始末位置,这样的一对力 (简称一个力)称为保守力。(反之称为非保守力)
解:根据动能定理,由题意,子弹穿越两块木板 损失的动能相等,所以: 1 2 1 2 1 2 1 2 mv1 mv2 mv2 mv3 2 2 2 2 v3 100m / s
例题5
5 、作直线运动的甲、乙、丙三物体,质量之比为 1:2:3若它们的动能相等,并且作用于每一个物体 上的制动力的大小都相等,方向与各自的速度方向 相反,则它们制动距离之比为 解:根据动能定理 A E k 。
mv2 GMm 3R (3R) 2

1 2 GMm Ek mv 2 6R
GMm GMm r 3R
2)根据万有引力势能公式
EP
例 题 15
15、如图所示,质量为 m1 短试管,用长为 l ,质量
可忽略不计的硬直杆悬挂,管内盛有乙醚液滴,管 口用质量为 m2的软木塞塞住。当加热试管时,软木 塞在乙醚蒸气压力下飞出, 1)要试管绕悬点o在竖直平面内 作一完整的圆周运动,那么软木 塞飞出的最小速度是多少? 2)若将硬杆换成细绳,结果如何?
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