功是中学物理中一个重要概念,功能关系是解决力学问题的重要途径之一。因此,正确理解功的内涵和外延,正确把握求功的方法是解决力学问题的基础。本文用实例就求功的方法展开讨论,供大家参考。
1、公式法
2、微元法
当物体在变力的作用下作曲线运动时,若力的方向与物体运动的切线方向之间的夹角不变,且力与位移的方向同步变化,可用微元法将曲线分成无限个小元段,每一小元段可认为恒力做功,总功即为各个小元段力做功的代数和。
3、功率法
功跟完成这些功所需时间的比值,叫做功率。表达式P=W/t。对于一段时间内外力的功,有时可以直接利用W=Pt求出功,这里的P应该是恒定的功率,或者是平均功率。
例3:质量为m的机车以恒定的功率由静止出发沿直线运动,在t时间通过位移为s,速度达到最大vm,假设机车所受的阻力恒定。求机车在这段时间内所做的功_________。
解析:因机车的功率恒定,当机车从静止开始达到最大速度的过程中,牵引力不断减小,当速度达到最大时,机车所受的牵引力最小,与阻力相等。在这段时间内机车所受的阻力恒定,牵引力是变力,因此机车做功不能直接用功的定义式求解,但可用W =Pt计算。由动能定理:
3、能量法
功是能量转化的量度,已知外力做功情况可计算能量的转化,同样根据能量的转化也可求外力所做功的多少。因此根据动能定理、机械能守恒定律、功能关系等可从能量改变的角度求功。
根据力做功后引起物体能量的变化计算功。功是能量变化的量度,外力对物体做功,不但会引起机械能的变化,也会引起其他形式能量的变化,因此可以通过计算物体能量的变化来求合力或某个力的功。这里,经常用到动能定理。合外力对物体所做的功等于物体动能的增量,这就是动能定理。由于在应用动能定理时不必追究物体运动全过程中各个变化的细节,只需要考虑初、末状态,为求解变力做功提供了简化处理的方法。
例4:质量为M的平板车静止光滑水平面上,有一质量为m的人静止在平板车上,若人以对地的速度v水平跳出,则人水平跳出过程中做的功为多少?
解析:人从静止到跳出的这个极短的时间里,是一个变化的力在做功,直接利用定义式求解比较困难。系统开始是静止的,但在人水平跳出后,人和平板车的动能发生了改变,系统获得的机械能就是人所做的功W,即:
例5:如图2所示,用汽车通过定滑轮拖动水面上的货船。汽车从静止开始把船从A拖到B,若滑轮的大小和摩擦不计,船的质量为M,阻力为船重的K倍,船在B处时,汽车的速度为v,其他数据如图所示,问这一过程中汽车对船做的功为多少?(绳子的质量不计)
解析:汽车对船所做的功,等于绳子对船做的功,而绳子的张力是变力,故直接求解比较困难。但在整个过程中,小船动能的改变是由汽车和阻力共同作用的结果,所以可以用动能定理求解。
4、图象法
利用F-s图象计算,如图3所示,阴影部分面积在数值上等于外力F在位移s上所做的功,其大小可以由平面几何知识求解。一般说来,当力F随位移是线形变化时,可以用图象法求解。
例6:用铁锤将一铁钉击入木块中,设每次打击锤子时给铁钉的动能相同,铁钉进入木块所受的阻力跟打入的深度成正比。如果钉子第一次被打入木块的深度为l,求第二次打入的深度是多少?
解析:铁钉进入木块所受的阻力f跟铁钉进入木块的深度x之间的关系f=kx,由此可知,阻力是一个随位移线形变化的变力,所以用图象法求解,依题意做出f—x关系图线如图4所示。
5、平均力法
有些变力做的功,可用整个过程中的平均力的功来代替。如上面讲的力F随位移是线形变化时,就可以利用平均力来求解。有时,当力随角度按正弦或余弦变化时,也可以利用平均法求解。
文章来源:《湖南中学物理》 网址: http://www.hnzxwlzz.cn/zonghexinwen/2021/0412/660.html
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