一质点在力 F = F_0 e^-kx 作用下运动,如果在 x = 0 处质点的速度为零,则质点可能获得的最大动能为A. (F_0)/(k)B. (F_0)/(e^k)C. kF_0D. ke^-k F_0
A. $\frac{F_0}{k}$
B. $\frac{F_0}{e^k}$
C. $kF_0$
D. $ke^{-k} F_0$
题目解答
答案
解析
本题考查动能定理以及对质点运动过程中力与动能变化关系的理解。解题的关键思路是明确质点动能最大时的条件,然后利用动能定理来计算最大动能。
根据动能定理,合外力对质点做的功等于质点动能的变化量,即$W = \Delta E_k$。在本题中,力$F = F_0 e^{-kx}$是变力,我们需要通过积分来计算力$F$所做的功。
质点在力$F$作用下运动,当力$F$与速度$v$方向相同时,质点做加速运动,动能增加;当力$F$与速度$v$方向相反时,质点做减速运动,动能减小。已知在$x = 0$处质点的速度为零,随着质点沿$x$轴正方向运动,力$F$始终为正(因为$F_0>0$,$e^{-kx}>0$),质点一直做加速运动,直到力$F$减为零,此时质点速度达到最大,动能也达到最大。
力$F$所做的功$W$可以通过积分计算:
$\begin{align*}W&=\int_{0}^{\infty} Fdx\\&=\int_{0}^{\infty} F_0 e^{-kx}dx\end{align*}$
根据积分公式$\int e^{ax}dx=\frac{1}{a}e^{ax}+C$($a\neq0$),对$\int_{0}^{\infty} F_0 e^{-kx}dx$进行计算:
$\begin{align*}W&=F_0\int_{0}^{\infty} e^{-kx}dx\\&=F_0\left[-\frac{1}{k}e^{-kx}\right]_{0}^{\infty}\\&=F_0\left(-\frac{1}{k}\lim\limits_{x \to \infty} e^{-kx}+\frac{1}{k}e^{-k\times0}\right)\end{align*}$
因为$\lim\limits_{x \to \infty} e^{-kx}=0$($k>0$),$e^{-k\times0}=1$,所以:
$\begin{align*}W&=F_0\left(0+\frac{1}{k}\right)\\&=\frac{F_0}{k}\end{align*}$
由动能定理$W = \Delta E_k$,且初始动能$E_{k0}=0$,所以最大动能$E_{kmax}=W=\frac{F_0}{k}$。