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用牛顿定律和动能定理解动力学问题

韩莲芳

安徽医科大学 生物医学工程学院,安徽合肥,230032

摘要: 介绍牛顿定律和动能定理解动力学问题的步骤及适用范围,并举例说明同一个动力学问题中,用两种方法求解,得出一般情况下,用动能定理适用范围更广,求解更简便。
关键词: 动力学;牛顿定律;动能定理
DOI:10.12721/ccn.2022.159148
基金资助:国家自然科学基金,项目编号:62001006
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引言

在力学问题中,求解动力学时,既可以用牛顿定律求解,也可以用动能定理求解。无论物体所受的力是变力还是恒力,动能定理都是适用的。在一般的动力学问题中,两种方法都可以求解。下面分别介绍两种方法求解动力学问题的一般步骤,并具体举例说明解题过程。运用动能定理解某些动力学问题时,比运动牛顿第二定律要简便。

1牛顿定律求解动力学问题

运动牛顿第二定律解题时一般按照如下步骤(1)

(1) 选择合适的研究对象。若有几个物体,则对每个物理进行分析。

(2) 分析研究对象的运动状态,如:速度、加速度等,若有几个物体,还需找出它们之间的关系,即找到描述它们运动状态的物理量之间的联系,如:位移、速度和加速度等之间的关系。

(3)分析每个研究对象的受力情况。

(4)根据牛顿第二定律把描绘物体的物理量,如:质量、速度、加速度、受力等联系起来,列出方程,再根据已知条件,求解方程。

(5)最后对问题进行分析讨论。

2 用动能定理求解动力学问题
合外力所做的功等于动能的增量,这个就是动能定理,它是牛顿第二定律的一种积分形式(2)。运用动能定理解动力学问题时一般步骤如下:

(1) 确定合适的研究对象。研究对象可以是一个物体,也可以是几个物体组成的系统。

(2) 对研究对象进行受力分析,再确定物体的运动情况。

(3) 根据动能定理列方程求解。        

3举例

有一细棒用细绳悬挂,细棒的下端在液体下面。现将悬绳剪短,求细棒完全浸入液体中时细棒的速度。设细棒和液体的密度分别为P和截图10.png,细棒的长度为L,假设液体没有粘滞性。

1.png

图1

解法一:运动牛顿第二定律求解

建立如图1所示的坐标,设细棒浸入液体中的长度为x,所以
2.png (1)

以细棒作为研究对象,根据牛顿第二定律可知:
3.png (2)

 截图4.png    (3)
截图5.png (4)

将(4)代入(3)中可得,截图6.png 

上式两边同时积分,截图7.png
 截图8.png 

解法二:用动能定理求解

在细棒下落的整个过程中,合外力所做的功为:1.png

在这个过程中,动能的增量为2.png

由动能定理可知,3.png

所以,截图4.png

4结论
综上所述,同一个力学问题用牛顿定律和动能定理求解结果完全相同。动能

定理是从牛顿第二定律推导出来的,在一般情况下,若能用牛顿定律求解动力学

问题,都可以用动能定理求解。另外,用动能定理比用牛顿定律解力学问题过程

简便很多。

[参考文献] 

程守洙,江之永 主编,胡盘新,汤毓骏,钟季康 修订.普通物理学(上册)第六版[M]. 高等教育出版社,2006年12月第六版.

[2]韩家骅,汪洪 主编.大学物理学[上册]第3版[M].安徽大学出版社,2015年1月第3版.

作者简介: 韩莲芳(1982- ),女,安徽省池州人,汉族,博士研究生,副教授。研究方向:量子光学与量子计算。