质量为m的质点在外力作用下,其运动方程为vec(r)=Acosomega tvec(i)+Bsinomega tvec(j),式中A,B,omega都是正的常量。由此可知外力在t=0到t=pi/(2omega)这段时间内所作的功为()A. (1)/(2)momega^2(A^2+B^2)B. momega^2(A^2+B^2)C. (1)/(2)momega^2(A^2-B^2)D. (1)/(2)momega^2(B^2-A^2)
A. $\frac{1}{2}m\omega^2(A^2+B^2)$
B. $m\omega^2(A^2+B^2)$
C. $\frac{1}{2}m\omega^2(A^2-B^2)$
D. $\frac{1}{2}m\omega^2(B^2-A^2)$
题目解答
答案
解析
本题考查知识点为动能定理的应用,解题思路是先根据运动方程求出质点的速度表达式,再分别计算出$t = 0$和$t=\frac{\pi}{2\omega}$时刻质点的速度大小,进而得到这两个时刻的动能,最后根据动能定理求出外力在这段时间内所做的功。
步骤一:求质点的速度表达式
已知质点的运动方程为$\vec{r}=A\cos\omega t\vec{i}+B\sin\omega t\vec{j}$,根据速度的定义$\vec{v}=\frac{d\vec{r}}{dt}$,对运动方程求导可得速度表达式:
$\vec{v}=\frac{d\vec{r}}{dt}=\frac{d}{dt}(A\cos\omega t\vec{i}+B\sin\omega t\vec{j})$
根据求导公式$(\cos x)^\prime=-\sin x$,$(\sin x)^\prime=\cos x$,可得:
$\vec{v}=-A\omega\sin\omega t\vec{i}+B\omega\cos\omega t\vec{j}$
步骤二:计算$t = 0$时刻质点的速度大小$v_0$
将$t = 0$代入速度表达式$\vec{v}=-A\omega\sin\omega t\vec{i}+B\omega\cos\omega t\vec{j}$,可得:
$\vec{v}_0=-A\omega\sin(0)\vec{i}+B\omega\cos(0)\vec{j}=B\omega\vec{j}$
速度大小$v_0$为:
$v_0 = \vert\vec{v}_0\vert=\sqrt{(B\omega)^2}=B\omega$
则$t = 0$时刻质点的动能$E_{k0}$为:
$E_{k0}=\frac{1}{2}mv_0^2=\frac{1}{2}m(B\omega)^2=\frac{1}{2}m\omega^2B^2$
步骤三:计算$t=\frac{\pi}{2\omega}$时刻质点的速度大小$v$
将$t=\frac{\pi}{2\omega}$代入速度表达式$\vec{v}=-A\omega\sin\omega t\vec{i}+B\omega\cos\omega t\vec{j}$,可得:
$\vec{v}=-A\omega\sin(\omega\times\frac{\pi}{2\omega})\vec{i}+B\omega\cos(\omega\times\frac{\pi}{2\omega})\vec{j}=-A\omega\vec{i}$
速度大小$v$为:
$v = \vert\vec{v}\vert=\sqrt{(-A\omega)^2}=A\omega$
则$t=\frac{\pi}{2\omega}$时刻质点的动能$E_{k}$为:
$E_{k}=\frac{1}{2}mv^2=\frac{1}{2}m(A\omega)^2=\frac{1}{2}m\omega^2A^2$
步骤四:根据动能定理求外力做功$W$
动能定理指出,合外力对物体所做的功等于物体动能的变化量,即$W = E_{k}-E_{k0}$,将$E_{k}=\frac{1}{2}m\omega^2A^2$和$E_{k0}=\frac{1}{2}m\omega^2B^2$代入可得:
$W=\frac{1}{2}m\omega^2A^2 - \frac{1}{2}m\omega^2B^2=\frac{1}{2}m\omega^2(A^2 - B^2)$