對巧用動能定理解決物理特殊問題的探究

摘 要：在分析動能定理內(nèi)容和運(yùn)用步驟的基礎(chǔ)上，本文結(jié)合例題對動能定理在物體過程做功問題、變力做功問題和復(fù)雜曲線問題等特殊物理問題解答上的運(yùn)用過程展開了分析。

關(guān)鍵詞：動能定理；物理問題；解題策略

一、 引言

在高中物理學(xué)習(xí)中，在對功能關(guān)系進(jìn)行比較時，通常需要采用動能定理。相較于其他方法，動能定理理解起來更加容易，通過靈活運(yùn)用可以輕松解答各種特殊的物理問題。因此，動能定理能夠為我們高中生解題提供便利。

二、 動能定理概述

動能定理表達(dá)式為W=ΔEk，即W1+W2+W3+…=12mv22-12mv12。不難發(fā)現(xiàn)，動能定理用于反映合外力做功和動能變化的關(guān)系。在合外力做功的過程中，功為過程量，能為狀態(tài)量，二者間無直接關(guān)系，做功即能量轉(zhuǎn)化的過程。而隨著動能的變化，總功就會發(fā)生相應(yīng)轉(zhuǎn)化。如果合力做正功，動能將隨之增加。反之做負(fù)功，動能將有所減少。利用動能定理，可以明確研究對象，實現(xiàn)對物體運(yùn)動過程的分析。通過分析對象受力狀況和各力做功情況，可以明確物體在始末狀態(tài)下的動能情況。因此在應(yīng)用過程中，需要將問題重點(diǎn)放在物體做總功、初動能和末動能上，忽略物體運(yùn)動的詳細(xì)過程。

三、 巧用動能定理解決物理特殊問題

（一） 解決物體過程做功問題

例1 如圖1所示，在固定盒子中存在一個質(zhì)量為m的滑塊，其與盒子底面的動摩擦因數(shù)為μ。一開始，滑塊位于盒子中央，以初速度v0向右運(yùn)動，與盒子兩壁碰撞若干次后，滑塊速度逐漸減慢，最終變?yōu)榱恪Ｈ艉虚LL，滑塊與盒壁碰撞無能量損失，求物體與兩壁碰撞次數(shù)。

在解答該問題時，需要以滑塊為研究對象，判斷滑塊在運(yùn)動期間，因為需要克服摩擦阻力做功所以導(dǎo)致初動能被消耗。而滑塊在盒子底部進(jìn)行滑動，與兩壁進(jìn)行多次作用的過程中，盡管摩擦力會發(fā)生方向變化，但總體做負(fù)功，因此只需要關(guān)注摩擦力大小，可以將摩擦力與物體通過的路程相乘。

（二） 解決物體變力做功問題

例2 小車?yán)枚ɑ喓屠KPQ進(jìn)行連接，用于拉動山崖下質(zhì)量為m的物體。對繩和定滑輪的重量進(jìn)行忽略，小車初始位置為A，此時繩子緊繃，左邊長H，小車由靜止加速向左運(yùn)動，由B點(diǎn)向C點(diǎn)運(yùn)動，AB間距離為H，到達(dá)B點(diǎn)速度為VB，求小車由A到B時，繩子Q端物體做功大小。

在求解該問題時，由題目可知，車輛在AB端行駛的過程中，物體僅受重力和拉力的作用，拉力在不斷改變，所以還要重點(diǎn)考慮物體上升速度與高度關(guān)系。而結(jié)合動能定理，可以確定拉力做功大小。

（三） 解決復(fù)雜曲線問題

例3 如圖2所示，在場強(qiáng)為E的水平勻強(qiáng)電場中，長L的絕緣桿繞過中點(diǎn)的水平軸O在豎直平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，其質(zhì)量和與軸的摩擦忽略不計，水平軸與場強(qiáng)方向垂直。在桿的兩端，存在固定帶電小球A和B，質(zhì)量分別為2m和m，帶電量分別為+2Q和-Q。桿最初位于圖中豎直位置，在電場力和重力作用下轉(zhuǎn)動到水平位置時，求A球動能大小。

求解該問題時，表面來看似乎為圓周運(yùn)動問題，對物體A在第二種狀態(tài)下的動能進(jìn)行計算，需要對A的速度進(jìn)行求解。但是想要求解A的速度，需確定其受力情況。從系統(tǒng)受力情況來看，A和B均受電場力F、重力G和桿作用力N的作用，前兩個力恒定不變，但桿的作用力未知。因此在水平位置下，難以對A受的合外力進(jìn)行確定。但是如果運(yùn)用動能定理，可以直接結(jié)合各力做功情況展開分析，因此可以簡化問題的求解。

四、 結(jié)語

通過研究可以發(fā)現(xiàn)，針對特殊的物理問題，可以通過巧妙運(yùn)用動能定理加以解決。而在實際解題的過程中，還要針對問題的特殊性展開分析，然后結(jié)合動能定理知識點(diǎn)和應(yīng)用步驟進(jìn)行解題，從而提升我們的做題效率。

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作者簡介：

姚志毅，湖南省長沙市，湖南長沙同升湖實驗學(xué)校。