引入
为什么刹车距离与速度的平方成正比,而不是与速度成正比?
为什么同样的力作用不同距离,物体获得的速度不同?
为什么动能定理可以绕开复杂的受力过程?
功描述力对空间的累积,动量描述力对时间的累积。动能则是对应的“运动量”,动能定理把功和速度变化直接连起来,中间不需要分析加速度随时间的变化。
正文
定义
动能是物体因运动而具有的能量: 单位焦耳(),是标量,恒为非负。
动能的特点
| 特点 | 说明 |
|---|---|
| 标量 | 没有方向,只有大小 |
| 与速度平方成正比 | 速度加倍,动能变四倍 |
| 与参考系有关 | 不同参考系中速度不同,动能不同 |
| 恒为非负 |
动能依赖参考系这一点常被忽略。地面观察者看车里的人有动能,车里的人看自己是静止的、动能为零。但动能定理在不同惯性系中都成立,只是各量的数值不同。
动能定理
定义
动能定理:合外力对物体做的总功,等于物体动能的变化量:
单个力做功时:
| 情形 | 动能变化 | |
|---|---|---|
| 合力做正功 | 增加 | |
| 合力做负功 | 减少 | |
| 合力不做功 | 不变 |
推导
由牛顿第二定律和运动学公式:
用 消去 :
推导用的是恒力匀变速情形,但结论对变力、曲线运动同样成立——这需要用到积分,见功。
为什么刹车距离与速度平方成正比
刹车时摩擦力做负功,动能全部转化为内能:
解得:
| 初速度 | 刹车距离(相对) |
|---|---|
| 倍 | |
| 倍 | |
| 倍 |
速度翻倍,刹车距离变四倍。这是限速的直接理由,也是“十次事故九次快”的物理依据。
与动量定理的对比
| 项目 | 动能定理 | 动量定理 |
|---|---|---|
| 累积量 | 功(力 × 位移) | 冲量(力 × 时间) |
| 改变的量 | 动能 | 动量 |
| 类型 | 标量式 | 矢量式 |
| 适用 | 求位移、速度大小 | 求时间、速度方向 |
选择哪个定理,取决于题目给的是位移还是时间。
| 已知 | 优先用 |
|---|---|
| 位移、力 | 动能定理 |
| 时间、力 | 动量定理 |
| 碰撞、爆炸 | 动量守恒 |
| 高度变化、无摩擦 | 机械能守恒 |
多过程问题
动能定理的最大优势是可以跨越多个过程,只看初末状态:
不需要逐段分析中间的加速度和速度。这是它比牛顿第二定律更省力的地方。
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “动能可以为负” | ,动能恒非负 |
| “速度方向改变,动能一定改变” | 匀速圆周运动速率不变,动能不变 |
| “动能定理只适用于恒力” | 变力、曲线运动都成立 |
| “动能与参考系无关” | 与参考系有关 |
引出
为什么动能定理对变力也成立?见功中的积分形式。
相对论中动能表达式如何修正?低速下如何退化?