Question

探究能力是物理學(xué)研究的重要能力之一。物體因繞軸轉(zhuǎn)動而具有的動能叫轉(zhuǎn)動動能，轉(zhuǎn)動動能的大小與物體轉(zhuǎn)動的角速度有關(guān)。為了研究某一砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k與角速度ω的關(guān)系。某同學(xué)采用了下述實驗方法進行探索：如圖，先讓砂輪由動力帶動勻速旋轉(zhuǎn)測得其角速度ω，然后讓砂輪脫離動力，由于克服轉(zhuǎn)軸間摩擦力做功，砂輪最后停下，測出砂輪脫離動力到停止轉(zhuǎn)動的圈數(shù)n，通過分析實驗數(shù)據(jù)，得出結(jié)論。經(jīng)實驗測得的幾組ω和n如下表所示：

另外已測得砂輪轉(zhuǎn)軸的直徑為1cm，轉(zhuǎn)軸間的摩擦力為N。

小題1:計算出砂輪每次脫離動力的轉(zhuǎn)動動能，并填入上表中。
小題2:由上述數(shù)據(jù)推導(dǎo)出該砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k與角速度ω的關(guān)系式為      。
小題3:若測得脫離動力后砂輪的角速度為2.5rad/s，則它轉(zhuǎn)過45圈后的角速度為     rad/s。

Answer 1

小題1:

小題2:E_k= 2ω² 
小題3:2

分析：（1）砂輪克服轉(zhuǎn)軸間摩擦力做功公式W=f?n?πD，f是轉(zhuǎn)軸間的摩擦力大小，n是砂輪脫離動力到停止轉(zhuǎn)動的圈數(shù)，D是砂輪轉(zhuǎn)軸的直徑．根據(jù)動能定理得知，砂輪克服轉(zhuǎn)軸間摩擦力做功等于砂輪動能的減小，求解砂輪每次脫離動力的轉(zhuǎn)動動能．
（2）采用數(shù)學(xué)歸納法研究砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k與角速度ω的關(guān)系式：當(dāng)砂輪的角速度增大為原來2倍時，砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k是原來的4倍；當(dāng)砂輪的角速度增大為原來4倍時，砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k是原來的16倍，得到E_k與ω²成正比，則有關(guān)系式E_k=kω²．將任一組數(shù)據(jù)代入求出比例系數(shù)k，得到砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k與角速度ω的關(guān)系式．
（3）根據(jù)動能與角速度的關(guān)系式，用砂輪的角速度表示動能，根據(jù)動能定理求出轉(zhuǎn)過45圈后的角速度．
解：
（1）根據(jù)動能定理得：E_k=f?n?πD，代入計算得到數(shù)據(jù)如下表所示．

ω/rad?s-1	0.5	1	2	3	4
n	5.0	20	80	180	320
Ek/J	0.5	2	8	18	32

（2）由表格中數(shù)據(jù)分析可知，當(dāng)砂輪的角速度增大為原來2倍時，砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k是原來的4倍，得到關(guān)系E_k=kω²．當(dāng)砂輪的角速度增大為原來4倍時，砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k是原來的16倍，得到E_k與ω²成正比，則有關(guān)系式E_k=kω²．k是比例系數(shù)．將任一組數(shù)據(jù)比如：ω=1rad/s，E_k=2J，代入得到k=2J?s/rad，所以砂輪的轉(zhuǎn)動動能E_k與角速度ω的關(guān)系式是E_k=2ω²
（3）根據(jù)動能定理得
-f?n?πD=2ω₂²-2ω₁²
代入解得ω₂=2rad/s
故答案為：（1）、0.5，2，8，18，32；
（2）、2ω²；
（3）、2rad/s