演示页

动能定理

Physics Energy Mode

公式卡

文字陈述

合外力对物体所做的总功等于物体动能的变化量:总功为正,动能增加;总功为负,动能减小;总功为零,动能不变。它把“做功过程”与“速度变化”直接联系起来。

单位与量纲

W、Ek:焦耳(J),1 J = 1 N·m;m:千克(kg);v、v₀:米每秒(m/s)。动能是标量,只有大小、没有方向,且恒为非负值。

使用顺序

先看演示,再调参数,最后看例题和小测。

物理能量模式:做功与动能变化

试试看

1操作:把“质量 m”固定为 2 kg、“初速度 v_0”设为 0,把“末速度 v”从 4 m/s 拉到 8 m/s。 观察:所需的合外力总功变为原来的几倍?为什么?看提示

参考:W=1/2mv² 中速度带平方:速度翻倍,动能从 16 J 增大到 64 J,总功变为 4 倍。

2操作:固定“末速度 v”=6 m/s、“初速度 v_0”=0,把“质量 m”从 2 kg 拉到 8 kg。 观察:总功如何变化?质量与动能是什么关系?看提示

参考:总功从 36 J 增大到 144 J:速度相同时动能与质量成正比,质量变为 4 倍动能也变为 4 倍。

3操作:把“初速度 v_0”调到 4 m/s、“末速度 v”调到 2 m/s,保持“质量 m”=2 kg,观察总功的正负。 观察:物体在加速还是减速?总功是正还是负?看提示

参考:v<v₀,物体减速:动能从 16 J 减小到 4 J,总功为 -12 J,说明合外力做了负功、消耗了物体的动能。

动能变化 ΔEk

33.75 J

末速度 v

6.00 m/s

初速度 v0

1.50 m/s

Ek-v 图像

概念精讲

用牛顿定律求速度,要先把加速度算出来,过程一复杂就得逐段列方程。动能定理提供了一条只看初末状态的捷径:合外力所做的总功等于动能的变化量,即 W=½mv²-½mv₀²。它由 F=ma 两边同乘位移推导而来,却把整个过程压缩成一个标量等式,变力、曲线运动照样适用。

解题分三步:确定初、末状态的速度,把各个力做的功连同正负号一并求代数和,再令它等于动能变化量。功与动能都是标量,不需要按方向分解,这正是它处理复杂路径问题比牛顿定律高效的地方;已知做功反求末速度时,先解出 v² 再开方即可。

动能恒为非负、没有方向,速度带平方意味着速度翻倍动能变 4 倍,不能按正比想象。总功为正动能增大,为负动能减小,为零动能不变;摩擦力等阻力做负功时要带着负号参与代数运算,“克服阻力做功 6 J”对应的数值就是 -6 J。

按难度递进完成,先自己作答再展开解析。

变式练习

基础

质量为 1 kg 的物体在合外力作用下速度由 2 m/s 增大到 4 m/s,求合外力做的功。

基础

质量 0.5 kg 的小球从静止自由下落 2 s(g 取 10 m/s²,空气阻力不计),求 2 s 末小球的动能。

进阶

质量 2 kg 的物体以 6 m/s 的初速度冲上粗糙斜面,到达最高点时速度恰好为 0,上升的竖直高度为 1.5 m(g 取 10 m/s²)。求物体克服摩擦力做的功。

挑战

质量 800 kg 的汽车以 20 m/s 的速度行驶,关闭发动机后在水平路面上滑行 50 m 恰好停下。设阻力恒定,求阻力的大小。

易错点

误区:速度大的物体动能一定大。

为什么错:动能由质量和速度共同决定:缓慢行驶的载重货车动能可以远大于高速飞行的子弹(1 万 kg、10 m/s 的货车动能约 5×10⁵ J,而 10 g、700 m/s 的子弹约 2.5×10³ J)。

正确理解:比较动能必须同时看质量和速度,只有质量相同时才有“速度大动能大”。

误区:动能有方向,向右运动动能为正、向左为负。

为什么错:动能是标量,Ek=1/2mv² 中速度取平方,方向信息被消去,动能永远是非负数。

正确理解:动能没有方向;带有方向、可正可负的对应量是动量,两者不要混淆。

误区:合外力做负功,物体一定是向后(反向)运动。

为什么错:做负功只说明动能减小、速率变小:刹车时汽车仍向前运动,摩擦力却做负功;竖直上抛的物体向上运动,重力也做负功。

正确理解:总功的正负对应动能的增减,与物体运动方向没有必然联系。

小测1/3

在质量 m 不变时,若末速度 v 大于初速度 v_0,则总功 W 的符号是: