解決變力做功問題的方法

2022-05-08 16:12:04 字數 2034 閱讀 5611

在求功公式中,f是恒力,即在做功過程中,f的大小、方向都不變。當f是變力時,該怎樣求功呢?

1. 轉化為恒力做功

在某些情況下,通過等效變換可以將變力做功轉換成恒力做功,於是可以用求解。

例1. 如圖1所示,某人用大小不變的力f拉著放在光滑水平面上的物體。開始時與物體相連的輕繩和水平面間的夾角為α,當拉力f作用一段時間後,繩與水平面間的夾角為β。

已知圖1中的高度是h,繩與滑輪間的摩擦不計,求繩的拉力ft對物體所做的功。

圖1分析:拉力ft在對物體做功的過程中大小不變,但方向時刻改變,所以這是個變力做功問題。由題意可知,人對繩做的功等於拉力ft對物體做的功,且人對繩的拉力f是恒力,於是問題轉化為求恒力做功。

由圖1可知,在繩與水平面的夾角由α變到β的過程中,拉力f的作用點的位移為:

所以繩對物體做功:

2. 用動能定理

動能定理表示式為,其中是所有外力做功的代數和,△ek是物體動能的增量。如果物體受到的除某個變力以外的其他力所做的功均能求出,那麼用動能定理就可以求出這個變力所做的功。

例2. 如圖2所示,質量的物體從軌道上的a點由靜止下滑,軌道ab是彎曲的,且a點高出b點。物體到達b點時的速度為,求物體在該過程中克服摩擦力所做的功。

圖2分析:物體由a運動到b的過程中共受到三個力作用:重力g、支援力和摩擦力。

由於軌道是彎曲的,支援力和摩擦力均為變力。但支援力時刻垂直於速度方向,故支援力不做功,因而該過程中只有重力和摩擦力做功。

由動能定理,其中

所以代入資料解得

3. 用w=pt

利用此式可求出功率保持不變的情況下變力所做的功。

例3. 質量為5t的汽車以恆定的輸出功率75kw在一條平直的公路上由靜止開始行駛,在10s內速度達到10m/s,求摩擦阻力在這段時間內所做的功。

分析:汽車的功率不變,根據知,隨著速度v的增大,牽引力將變小,不能用求功,但已知汽車的功率恆定,所以牽引力在這段時間內所做的功

再由動能定理得:

所以4. 用圖象法

在圖象中,圖線和橫軸所圍成的面積即表示力所做的功。

例4. 放在地面上的木塊與一勁度係數的輕彈簧相連。現用手水平拉彈簧,拉力的作用點移動時,木塊開始運動,繼續拉彈簧,木塊緩慢移動了的位移,求上述過程中拉力所做的功。

分析:由題意作出圖象如圖3所示,在木塊運動之前,彈簧彈力隨彈簧伸長量的變化是線性關係,木塊緩慢移動時彈簧彈力不變,圖線與橫軸所圍梯形面積即為拉力所做的功。即

圖35. 用平均值

當力的方向不變,而大小隨位移線性變化時(即f=ks+b),可先求出力的算術平均值,再把平均值當成恒力,用功的計算式求解。

例5. 要把長為的鐵釘釘入木板中,每打擊一次給予的能量為,已知釘子在木板中遇到的阻力與釘子進入木板的深度成正比,比例係數為k。問此釘子全部進入木板需要打擊幾次?

分析:在把釘子打入木板的過程中,釘子把得到的能量用來克服阻力做功,而阻力與釘子進入木板的深度成正比,先求出阻力的平均值,便可求得阻力做的功。

釘子在整個過程中受到的平均阻力為:

釘子克服阻力做的功為:

設全過程共打擊n次,則給予釘子的總能量:

所以6. 用功能原理

除系統內重力和彈力以外的其他力對系統所做功的代數和等於系統機械能的增量。若只有重力和彈力做功的系統內,則機械能守恆(即為機械能守恆定律)。

例6. 如圖4所示,將乙個質量為m,長為a,寬為b的矩形物體豎立起來的過程中,人至少需要做多少功?

圖4分析:在人把物體豎立起來的過程中,人對物體的作用力的大小和方向均未知,無法應用求解。

該過程中,物體要經歷圖4所示的狀態,當矩形對角線豎直時,物體重心高度最大,重心變化為:

由功能原理可知

當時,最小,為:

。7. 用w=pv

一般用來求解液體或氣體做功的情況,p為壓強,v為液體或氣體推進體積,其實該公式**於功的計算式,設壓強p的作用面積為s,推進的距離為l,則壓力ps作用距離l時的功為psl即pv。

例7、成年人正常心跳每分鐘約75次,一次血液迴圈中左心室的血壓(可看作心臟壓送血液的壓強)的平均值為1.37×104pa ,左、右心室收縮時射出的血量約為70ml,右心室對肺動脈的壓力約為左心室的1/5,據此估算心臟工作的平均功率。

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