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求力做功是高中物理习题中常见的问题。对于恒力做功可依据公式[W=Fscosα]直接求解,难度不大;而对于求变力做功问题,就不能机械地套用这一公式,必须根据有关物理规律通过变换或转化来求解。下面,介绍求变力做功的几种常见方法。
一、用微元法求变力做功
当力的大小不变,方向发生变化时,可根据情况将物体整个运动分段,使物体在每一段内所受的力都能成为恒力或近似为恒力,求出力在每个阶段中所做功然后求和。这样变力(方向变化)做功的问题就转化为多段上的恒力做功问题了。特别是空气阻力、滑动摩擦力等在曲线运动(或往复运动)过程中所做的功,等于力和路程的乘积,而不是力和位移的乘积。
例1 某个力F=10N作用于半径为R=1m的转盘边缘上,力F的大小保持不变,但方向始终与作用点的切线方向一致,则转动一周该力所做的功为( )。
A.0 B.20[π] C.10J D.20J
解:[W=F×2πR]=10×[2π],选B。
二、用图象法求变力做功
在F-[l]图像中,图线与两坐标轴所围的“面积”的代数和表示F做的功,“面积”有正负,在[l]轴上方的“面积”为正,在[l]轴下方的“面积”为负。此法适用于F-[l]图像面积比较容易求解的情况。
三、用W=Pt求变力做功
这是一种等效代换的观点,用W=Pt计算功时,必须满足变力的功率是一定的。如机车以恒定功率启动过程中,牵引力是变力,但牵引力的功可用W=Pt计算。
例2 质量为5000kg的汽车在t=0时速度为10m/s,随后以P=60000w的额定功率沿公路继续前进,经过72s到达最大速度,设汽车受恒定阻力大小为2500N,求汽车72s内经过的路程。
解:当牵引力等于阻力时速度最大。由P=FV得V=P/F= 24 m/s;牵引力的总功W=Pt=4320000J,由动能定理:[W-Fs]=mv-mv,得[s]=1722 m.。
四、用力的平均值求变力做功
如果物体受到的力方向不变,且大小随位移均匀变化,可用[W=Fl]求变力所做功。其平均值大小为[F=F1+F22],其中[F1]是物体初态时受到力的值,[F2]是物体末态时受到力的值。
如在求弹簧力所做的功时,再如题中限定木桩,钉子等所受阻力与击入深度成正比的情况下,都可以用此法求解。
五、用转换法求变力做功
若某一变力做的功等效于某一恒力做的功,则可以应用公式[W=Flcosα]来求。这样,变力做功问题可转化为恒力做功问题。
六、用动能定理求变力做功
如果我们所研究的问题中有多个力做功,其中只有一个力是变力,其余的力都是恒力,而且这些恒力所做的功比较容易計算,研究对象本身的动能变化量也比较容易计算时,用动能定理就可以求出这个变力所做的功。
七、用功能关系求变力做功
在变力做功的过程中,当有重力势能、弹性势能以及其他形式的能量参与转化时,可以考虑用功能关系求解。因为做功的过程就是能量转化的过程,并且转化过程中能量守恒。
例3 质量为2千克的均匀链条长为2米,自然堆放在光滑的水平面上,F竖直向上匀速提起此链条,已知提起链条的速度v=6米/秒,求该链条全部被提起时拉力F所做的功。
解:机械能的变化量[ΔE=EP+Ek]=[12mv2+mgl2]=56J, F所做的功[W=ΔE]=56J.
一、用微元法求变力做功
当力的大小不变,方向发生变化时,可根据情况将物体整个运动分段,使物体在每一段内所受的力都能成为恒力或近似为恒力,求出力在每个阶段中所做功然后求和。这样变力(方向变化)做功的问题就转化为多段上的恒力做功问题了。特别是空气阻力、滑动摩擦力等在曲线运动(或往复运动)过程中所做的功,等于力和路程的乘积,而不是力和位移的乘积。
例1 某个力F=10N作用于半径为R=1m的转盘边缘上,力F的大小保持不变,但方向始终与作用点的切线方向一致,则转动一周该力所做的功为( )。
A.0 B.20[π] C.10J D.20J
解:[W=F×2πR]=10×[2π],选B。
二、用图象法求变力做功
在F-[l]图像中,图线与两坐标轴所围的“面积”的代数和表示F做的功,“面积”有正负,在[l]轴上方的“面积”为正,在[l]轴下方的“面积”为负。此法适用于F-[l]图像面积比较容易求解的情况。
三、用W=Pt求变力做功
这是一种等效代换的观点,用W=Pt计算功时,必须满足变力的功率是一定的。如机车以恒定功率启动过程中,牵引力是变力,但牵引力的功可用W=Pt计算。
例2 质量为5000kg的汽车在t=0时速度为10m/s,随后以P=60000w的额定功率沿公路继续前进,经过72s到达最大速度,设汽车受恒定阻力大小为2500N,求汽车72s内经过的路程。
解:当牵引力等于阻力时速度最大。由P=FV得V=P/F= 24 m/s;牵引力的总功W=Pt=4320000J,由动能定理:[W-Fs]=mv-mv,得[s]=1722 m.。
四、用力的平均值求变力做功
如果物体受到的力方向不变,且大小随位移均匀变化,可用[W=Fl]求变力所做功。其平均值大小为[F=F1+F22],其中[F1]是物体初态时受到力的值,[F2]是物体末态时受到力的值。
如在求弹簧力所做的功时,再如题中限定木桩,钉子等所受阻力与击入深度成正比的情况下,都可以用此法求解。
五、用转换法求变力做功
若某一变力做的功等效于某一恒力做的功,则可以应用公式[W=Flcosα]来求。这样,变力做功问题可转化为恒力做功问题。
六、用动能定理求变力做功
如果我们所研究的问题中有多个力做功,其中只有一个力是变力,其余的力都是恒力,而且这些恒力所做的功比较容易計算,研究对象本身的动能变化量也比较容易计算时,用动能定理就可以求出这个变力所做的功。
七、用功能关系求变力做功
在变力做功的过程中,当有重力势能、弹性势能以及其他形式的能量参与转化时,可以考虑用功能关系求解。因为做功的过程就是能量转化的过程,并且转化过程中能量守恒。
例3 质量为2千克的均匀链条长为2米,自然堆放在光滑的水平面上,F竖直向上匀速提起此链条,已知提起链条的速度v=6米/秒,求该链条全部被提起时拉力F所做的功。
解:机械能的变化量[ΔE=EP+Ek]=[12mv2+mgl2]=56J, F所做的功[W=ΔE]=56J.