求變力做功的幾種方法

2021-09-15 09:49:05 字數 4926 閱讀 3318

一、等值法

等值法即若某一變力的功和某一恒力的功相等,則可以同過計算該恒力的功,求出該變力的功。而恒力做功又可以用w=fscosa計算,從而使問題變得簡單。

例1、如圖1,定滑輪至滑塊的高度為h,已知細繩的拉力為f牛(恆定),滑塊沿水平面由a點前進s公尺至b點,滑塊在初、末位置時細繩與水平方向夾角分別為α和β。求滑塊由a點運動到b點過程中,繩的拉力對滑塊所做的功。

分析:設繩對物體的拉力為t,顯然人對繩的拉力f等於t。t在對物體做功的過程中大小雖然不變,但其方向時刻在改變,因此該問題是變力做功的問題。

但是在滑輪的質量以及滑輪與繩間的摩擦不計的情況下,人對繩做的功就等於繩的拉力對物體做的功。而拉力f的大小和方向

都不變,所以f做的功可以用公式w=fscosa直接計算。由圖可知,在繩與水平面的夾角由α變到β的過程中,拉力f的作用點的位移大小為:

二、微元法

當物體在變力的作用下作曲線運動時,若力的方向與物體運動的切線方向之間的夾角不變,且力與位移的方向同步變化,可用微元法將曲線分成無限個小元段,每一小元段可認為恒力做功,總功即為各個小元段做功的代數和。

例2 、如圖2所示,某力f=10牛作用於半徑r=1公尺的轉盤的邊緣上,力f的大小保持不變,但方向始終保持與作用點的切線方向一致,則轉動一周這個力f做的總功應為:

a  0焦耳  b  20π焦耳

c 10焦耳  d   20焦耳

分析:把圓周分成無限個小元段,每個小元段可認為與力在同一直線上,故δw=fδs,則轉一周中各個小元段做功的代數和為w=f×2πr=10×2πj=20πj,故b正確。

三、平均力法

如果力的方向不變,力的大小對位移按線性規律變化時,可用力的算術平均值(恒力)代替變力,利用功的定義式求功。

例3、一輛汽車質量為105千克,從靜止開始運動,其阻力為車重的0.05倍。其牽引力的大小與車前進的距離變化關係為f=103x+f0,f0是車所受的阻力。

當車前進100公尺時,牽引力做的功是多少?

分析:由於車的牽引力和位移的關係為f=103x+f0,是線性關係,故前進100公尺過程中的牽引力做的功可看作是平均牽引力所做的功。由題意可知f0=0.

05×105×10n=5×104n,所以前進100公尺過程中的平均牽引力

=n=1×105n,

∴w=s=1×105×100j=1×107j。

四、圖象法

如果力f隨位移的變化關係明確,始末位置清楚,可在平面直角座標系內畫出f—x圖象,圖象下方與座標軸所圍的「面積」即表示功。

例如:對於例3除可用平均力法計算外也可用圖象法。由f=103x+f0可知,當x變化時,f也隨著變化,故本題是屬於變力做功問題,下面用圖象求解。

牽引力表示式為f=103x+0.5×105,其函式表達圖象

如圖3。根據f-x圖象所圍的面積表示牽引力所做

的功,故牽引力所做的功等於梯形oabd的「面積」。

所以 。

五、能量轉化法求變力做功

功是能量轉化的量度,已知外力做功情況可計算能量的轉化,同樣根據能量的轉化也可求外力所做功的多少。因此根據動能定理、機械能守恆定律、功能關係等可從能量改變的角度求功。

1、用動能定理求變力做功

動能定理的內容是:外力對物體所做的功等於物體動能的增量。它的表示式是w外=δek,w外可以理解成所有外力做功的代數和,如果我們所研究的多個力中,只有乙個力是變力,其餘的都是恒力,而且這些恒力所做的功比較容易計算,研究物件本身的動能增量也比較容易計算時,用動能定理就可以求出這個變力所做的功。

例4、如圖4所示,ab為1/4圓弧軌道,半徑為0.8m,bc是水平軌道,長3m,bc處的摩擦係數為1/15,今有質量m=1kg的物體,自a點從靜止起下滑到c點剛好停止。求物體在軌道ab段所受的阻力對物體做的功。

分析:物體在從a滑到c的過程中,有重力、ab段的阻力、ac段的摩擦力共三個力做功,wg=mgr,fbc=umg,由於物體在ab段受的阻力是變力,做的功不能直接求。根據動能定理可知:

w外=0,

所以mgr-umg-wab=0

即wab=mgr-umg=1×10×0.8-×1×10×3=6(j)

2、用機械能守恆定律求變力做功

如果物體只受重力和彈力作用,或只有重力或彈力做功時,滿足機械能守恆定律。如果求彈力這個變力做的功,可用機械能守恆定律來求解。

例5、如圖5所示,質量m為2千克的物體,從光滑斜面的頂端a點以v0=5公尺/秒的初速度滑下,在d點與彈簧接觸並將彈簧壓縮到b點時的速度為零,已知從a到b的豎直高度h=5公尺,求彈簧的彈力對物體所做的功。

分析:由於斜面光滑故機械能守恆,但彈簧

的彈力是變力,彈力對物體做負功,彈簧的彈性勢能增加,且彈力做的功的數值與彈性勢能的增加量相等。取b所在水平面為零參考面,彈簧原長處d 點為彈性勢能的零參考點,

則狀態a:    ea= mgh+mv02/2

對狀態b:    eb=-w彈簧+0

由機械能守恆定律得: w彈簧=-(mgh+mv02/2)=-125(j)。

3、用功能原理求變力做功

功能原理的內容是:系統所受的外力和內力(不包括重力和彈力)所做的功的代數和等於系統的機械能的增量,如果這些力中只有乙個變力做功,且其它力所做的功及系統的機械能的變化量都比較容易求解時,就可用功能原理求解變力所做的功。

例6、質量為2千克的均勻鏈條長為2公尺,自然堆放在光滑的水平面上,用力f豎直向上勻速提起此鏈條,已知提起鏈條的速度v=6公尺/秒,求該鏈條全部被提起時拉力f所做的功。

分析:鏈條上提過程中提起部分的重力逐漸增大,鏈條保持勻速上公升,故作用在鏈條上的拉力是變力,不能直接用功的公式求功。根據功能原理,上提過程拉力f做的功等於機械能的增量,故可以用功能原理求。

當鏈條剛被全部提起時,動能沒有變化,重心公升高了l/2=1公尺,故機械能動變化量為:

δe=mg l/2=2×10×1=20(j)

根據功能原理力f所做的功為:w=20j

4、用公式w=pt求變力做功

例7、質量為4000千克的汽車,由靜止開始以恆定的功率前進,它經100/3秒的時間前進425公尺,這時候它達到最大速度15公尺/秒。假設汽車在前進中所受阻力不變,求阻力為多大。

分析:汽車在運動過程中功率恆定,速度增加,所以牽引力不斷減小,當減小到與阻力相等時速度達到最大值。汽車所受的阻力不變,牽引力是變力,牽引力所做的功不能用功的公式直接計算。

由於汽車的功率恆定,汽車功率可用p=fv求,速度最大時牽引力和阻力相等,故p=fvm=fvm,所以汽車的牽引力做的功為w汽車=pt=fvmt根據動能定理有:

w汽車—fs=mvm2/2,即fvmt-fs= mvm2/2

代入數值解得: f=6000n。

變力做功的問題是一教學難點,在上述例項中,從不同的角度、用不同的方法闡述了求解變力做功的問題.在教學中,通過對變力做功問題的歸類討論,有利於提高學生靈活運用所學知識解決實際問題的能力,有利於培養學生的創造性思維,開闊學生解題的思路.

課後訓練題

1、如圖所示,質量為2kg的物體從a點沿半徑為r的粗糙半球內表面以10m/s的速度開始下滑,到達b點時的速度變為2m/s,求物體從a運動到b的過程中,摩擦力所做的功是多少?

2、一條長鏈的長度為a,置於足夠高的光滑桌面上,如圖所示.鏈的下垂部分長度為b,並由靜止開始從桌上滑下,問:當鍊的最後一節離開桌面時,鏈的速度及在這一過程中重力所做的功為多少?

3、如圖所示,一人用定滑輪吊起乙個質量為m的物體,繩子每單位長的質量為ρ,試求人將物體從地面吊起高度為l的過程中所做的最小功.

4、質量為5×105kg的機車,以恆定功率從靜止開始起動,所受阻力是車重的0.06倍,機車經過5min速度達到最大值108km/h,求機車的功率和機車在這段時間內所做的功.

5、用錘子把鐵釘打入木塊中,設每次打擊錘子時給鐵釘的動能相同,鐵釘進入木塊所受的阻力跟打入的深度成正比.如果釘子第一次被打入木塊的深度為2cm,求第二次打入的深度和需要幾次打擊才能將鐵釘打入4cm深處.

6、將一根水平放置在地面上的長為6m、質量為200kg的粗細均勻的金屬棒豎立起來,至少要做多少功(設所施加的力始終垂直於棒)?

課後訓練題解答

1、分析物體由a滑到b的過程中,受重力g、彈力n和摩擦力f三個力的作用,因而有

f=μn,

2/r,

即 n=m(v2

式中μ為動摩擦因素,v為物體在某點的速度.分析上式可知,在物體由a到c運動的過程中,θ由大到變小,cosθ變大,因而n變大,f也變大.

在物體由c到b運動的過程中,θ由小到變大,cosθ變小,因而n變小,f也變小.

由以上可知,物體由a運動到b的過程中,摩擦力f是變力,是變力做功問題.

解根據動能定理有

w外=δek.

在物體由a運動到b的過程中,彈力n不做功;重力在物體由a運動到c的過程中對物體所做的正功與物體從c運動到b的過程中對物體所做的負功相等,其代數和為零.因此,物體所受的三個力中摩擦力在物體由a運動到b的過程中對物體所做的功,就等於物體動能的變化量.則有

w外=wf=δek,

即   wf=(1/2)mvb2-(1/2)mva2=((1/2)×2×22-(1/2)×2×102)=-96j.

式中負號表示摩擦力對物體做負功.可見,如果所研究的物體同時受幾個力的作用,而這幾個力中只有乙個力是變力,其餘均為恒力,且這些恒力所做的功和物體動能的變化量容易計算時,此類方法解決問題是行之有效的.

2、分析長鏈在下落過程中,下垂部分不斷增長,因此,該部分的質量也在不斷增大,即這部分所受的重力是變力,整個長鏈的運動也是在該變力作用下的運動,是變力做功問題.

解取桌面為零勢能面,設整個鏈條質量為m,桌面高度為h,下垂部分質量為m0.則有

開始下滑時鏈條的初動能ek1=0,

初勢能ep1=-m0g·(b/2)=-mg·(b2/2a),

機械能e1=ek1+ep1=-(b2/2a)mg.

設鏈條全部離開桌面的瞬時速度為v,此時鏈條的勢能ep2=-(a/2)mg,

動能ek2=(1/2)mv2,

機械能e2=(1/2)mv2-(a/2)mg,

根據機械能守恆定律有e1=e2,即

-(b2/2a)mg=(1/2)mv2-(a/2)mg,

解得 v=.

因此,在這一過程中重力所做的功為

1/2)mv2-0=(mg/2a)(a2-b2).

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