做功的研究

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  功是反映物体间相互作用过程中能量变化多少的物理量,即是能量转化的量度,功的应用是中学物理中一个重点,也是一个难点。在功的计算时常使用公式W=FScosθ,表面看起来简单,但实际应用种常出现错误。下面就功的几个问题提出来并进行研究。
  1 、 恒力做功
  恒力做功时计算功的方法常是直接使用公式W=FScosθ,但公式中各量因具体条件不同而应有不同的意义,下面分三个方面来研究。
  1.1公式中的S一般是位移,但当求摩擦力、空气阻力等耗散力做功时,S应为运动的路程而不是位移。
  例1质量为m的汽车,从A点出发,绕半径为R的圆作匀速圆周运动后又回到A点,若路面对汽车的阻力为车重的K倍,则绕一周汽车客服阻力做功多少?
  解:汽车绕圆周运动一周位移为零,而路程为2πR,所以阻力做功W=FS=Kmg•2πR=2πKmgR。
  1.2在物体与物体之间发生相对运动时,求力做功S常要以物体相对地面的位移,而不能用相对某物体的位移。
  例2如图1所示,质量为m的木块由光滑的木圆弧轨道顶端自由滑下,水平滑下静止在光滑的水平面上的质量为m的小车上,木块与小车间的滑动摩擦系数为μ,木块在小车滑行L后相对小车静止,此时小车向前移动了S。求此过程中摩擦力做功是多少?
  解:摩擦力相对地位移为L+S,摩擦力做功W=-f(S+L)=-μmg(L+S)
  第三,公式中cosθ不能只记住这个符号,应理解其意义是把力和位移分解在同一直线上,因此,根据“θ”表示角度不同,计算功时可能也会用“sinθ”或与“θ”无关。
  例3如图2所示,质量为2千克的物体受与竖直方向成30。的5牛顿力后,物体由A点运动到B点,位移3米,物体与地面间摩擦系数为0.2;求力F及摩擦力所作的功?
   解:必须把F分解到水平方向上去,所以力F做功WF=FSsin30。=5×3sin30。=7.5(J),而摩擦力做功Wf=fs=-μ(mg-Fcos30。)•S=-9.4(J)
  2、变力做功
  当F为变力时,其做功计算就不能直接采用公式,而应转化为下面几种常见的方法。
  第一,把变力化为恒力,再使用公式W=FScosθ计算。
  例4两个底面积都是S的圆桶,放在同一水平面上,桶内盛水,水面高度为h1和h2,如图3,已知水的密度为ρ,现将连接两桶水面高度相等。则这个过程中重力做功为多少?
  解:由于水在移动过程中重力做功的部分为变力,所以我们把做功的重力即变力求其平均值即化为恒力来求。W=△G•h=12 [(h1-h2)ρsg+O]h1-h22 =14 ρ(h1¬h2)2sg。
  第二,利用图像来求。
  有些变力做功如能利用图像,则会使问题简单化、明了化。
  例5某物体受到一个方向不变而大小位移成正比的F作用后,由静止开始运动,在位移为X1时F做功为一恒值,问再经过多少位移后做功加倍?
  解:作出力与位移的图像,如图,如图4,由图像的意义可知,当位移为X1时,F做功等于△OAC的面积,再经过△x时,力F做功为△OBD的面积,由题意知S△OBD=2S△OAC,又∵△OBD~△OAC所以有S△OAC:S△OBD=OC2:OD2即2:1=(x1+△x)2=x2,∴△x=(√2 -1)x1
  第三,利用动能定理来求。
  有些变力做功的问题,若力F未知或较为复杂的变化,但又知物体运动的始末状态,这类变力做功常用动能定理来求。
  例6一个质量为m的小球,用长为L的轻绳悬挂O点,小球在水平拉图F作用下,从平衡未知P点缓慢地移到Q点,如图5,则力F做的功是多少?
  解:小球从P点移到Q点的过程中,由于θ角在增大,所以力F为变力。但因为小球缓慢移动即速度大小不变,用动能定理:W外=△EK ∵△EK=O ∴W外=O
  即有WF+Wg=O,∴WF=-Wg=mg(1-cosθ)
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