质点和质点系的动能定理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,4 3,质点和质点系的动能定理,点积的微商,叉积的微商,点积和叉积,由牛顿第二定律,:,，,用,点积等式两边，得,借助标量积的微分法则，得：,一 质点的动能定理,(theorem,of kinetic energy),A,B,在非相对论情况下，质量,m,为常数，则,于是：,称为元功，,描述了力的空间累积效应。,物理上，称,为质点的,动能,.,于是有：,可见：质点动能的微分等于作用于质点的合外力所作的元功，,动能定理的,微分形式,又,对于有限的过程：,有限的过程的动能定理,.,即，,合外力对质点所做的功等于质点动能的增量,。,Note:,若质点速度接近光速，则动能定理的叙述不变，但,动能表达式,改变,!,一 质点的动能定理,动能（,状态,函数,）,动能定理：,合,外力对,质点,所作的功,等于质点动能的,增量,.,A,B,（,1,）功是能量变化的量度,.,功是一个,过程量,；而动能是一个,状态量,（只有外力对质点作功，才能使得质点的动能发生变化）,；,注意,（,3,）动能的单位和量纲与功的单位和量纲相同。,（,2,）,质点动能定理是根据第二定律导出的，,与牛二律一样，动能定理也仅适用于,惯性系,宏观低速运动的质点,，并且功和,动能都与,参考系的选取,有关；,功和动能,动能定理和动量定理比较：,力的空间累积效应,力的时间累积效应,单 位：,kg,m,/,s,(,千克,米,/,秒,),J,(,焦耳,)(,或,Nm,牛顿,米,),性 质：,矢量,标量,变化量：,由力的冲量决定,E,k,由力的功决定,对于给定两个时刻,t,1,和,t,2,：,对于给定两个时刻,t,1,和,t,2,：,与惯性系的选择无关,E,k,随惯性系的不同而不同,关 系：,动量与动能的比较,物理量,动量,(momentum),动能,(kinetic energy),表达式,例,:,一质量为,1.0kg,的小球系在长为,1.0m,细绳下端,绳的上端固定在天花板上,.,起初把绳子放在与竖直线成 角处,然后放手使小球沿圆弧下落,.,试求绳与竖直线成 角时小球的速率,.,解：,由,动能定理,得,例题,:,如图,物块质量,m,置于粗糙水平面上,用橡皮绳系于墙上,橡皮绳原长,a,，,拉伸时相当于劲度系数为,k,的弹簧,现将物块向后拉伸至橡皮绳长为,b,后再由静止释放,.,求物块击墙的速度,.,物块与水平面间的摩擦系数为,.,解,弹力只存在于,b,a,过程，,摩擦力始终存在，,由动能定理有：,(,v,0,=0),O,x,x,a,b,m,例：,m,=1kg,的物体,在坐标原点处从静止出发沿,x,轴运动,合力,(SI),则在,x,=0,3,m,内,合力作功,A,=,;,x,=3,m,处，物体速率,v,=,.,解：,例：,一质量为,m,的物体，受到沿,x,轴正方向外力,F,=,F,0,+,kx,的作用（,F,0,k,为常数,），从坐标原点由静止开始运动，求质点运动位移为,x,0,时外力作的功以及速度与位移之间的函数关系,.,解：,（,1,）直线运动作功的表达式为,F,x,为,F,沿,x,轴的投影，于是,当,x=x,0,时，外力作功为,（,2,）由动能定理，得,求得速度与位移之间的函数关系为,二,.,成对力的功,（,work done by twin force,）,一对力：,分别作用在两个物体上的大小相等、方向相反的力,.,A,1,B,1,A,2,B,2,这说明：,一对力作功等于其中一个质点受的力沿着该质点相对另一质点所移动的路径所作的功。,力总是成对的，设质量为,m,1,和,m,2,的两个物体分别受到,和 的力，且,二,.,成对力的功,有限大小的功为,一对功的计算：视一质点,静止,，取其为坐标原点，计算另一质点在此坐标系运动过程中受力作功,.,A,1,B,1,A,2,B,2,一对内力,（,internal force,）,做的功与参照系选择无关，,只决定于两质点的相互作用力及其相对位移,.,说 明：,（,1,）,成对力的功只与作用力和,相对位移,有关,（一般不为零）,。,relative displacement,（,2,）,由于力和质点间的相对距离不因参照系的改变而改变，故一对内力做功之和与参考系的选择无关。即成对力的总功具有,与参考系选择无关,的不变性质,。,为方便起见，计算时可认为其中一个质点静止，,将参照系固定在该质点上：,并以该质点所在位置为原点，再计算另一质点受力所做的功。,只有在某些特殊情形中，如两质点的相对位置保持不变，内力的总功才为零。,例如对于刚体，由于各质点的相对位置保持不变，内力的总功为零。,（,3,）,一对滑动摩擦力的功恒小于零,（摩擦生热是,一对,滑动摩擦力作功的结果）。,以地面为参考系：,以滑块为参考系：,（,4,）在无相对位移或相对位移与一对力垂直的情况下，一对力的功必为零。,（,5,）系统内力虽成对出现，但内力功的和不一定为零,（因各质点位移不一定相同）,。,说 明：,例：,炸弹爆炸过程，内力和为零，但内力所做的功转化为弹片的动能。,例：,摩擦力做功,从地面看摩擦力对物体作功,在物体参考系（也是惯性系），物体没有移动，,摩擦力是一对力，成对摩擦力作的功：,v,f,摩擦力对物体作功,一对摩擦力所做的功与参考系的选择无关,=,运动中放出热能,例如：,A,板对,B,板的摩擦力为,A,板相对,B,板滑动,B,板对,A,板的摩擦力为,求：当,B,板从一端移到另一端时，摩擦力所作功,.,解：,摩擦力是一对力，据对力作功的一般表达式，应有：,是相对位移量,二 质点系的动能定理,（,Kinetic energy theorem for a system of particles,）,对第,i,个质点用质点动能定理,:,两边对所有质点求和，得,上式说明，,作用在质点系的一切内力和一切外力所作功的代数和等于质点系的动能增量,.,质点系的动能定理,.,例：,P,128,例,1.,结论：,一对滑动摩擦力的功恒小于零,（摩擦生热是一对滑动摩擦力作功的结果）,。,内力可以改变质点系的动能,（但不能改变质点系的动量）,.,注意,例 ：已知,m,和,l,水平静止下落,求下落,角时的速率及绳中张力,.,m,g,T,解：珠子受力,不作功,重力,mg,作功,.,例：,将一重物匀速推上一斜坡,因其动能不变,所以,(A),推力不做功,(B),推力功和摩擦力功等值反号,(C),推力功和重力功等值反号,(D),此重物所受的外力的功之和为零,答案：,D,思考,外力的冲量之和是否为零？,外力之和是否为零？,匀速运动，外力为零,.,外力为零，则外力冲量之和为零,.,例：,质点在外力作用下运动,下述哪种说法正确？,(A),质点的动量改变时,其动能一定改变,.,(B),质点的动能不变时,其动量也一定不变,.,(C),外力的冲量是零,则外力的功一定是零,.,(D),外力的功是零,则外力的冲量一定是零,.,答案：,C,思考,外力的冲量为零,则外力是否一定为零,？,外力的功为零,则外力是否一定为零,？,外力有可能垂直于位移方向,（例如匀速圆周运动）,.,例如：,质点作匀速圆周运动（绕一圈），外力冲量为零，但外力始终不为零,.,否,.,否,.,作 业：,4.3.4,，,4.3.7.,