功和功率經典例題

2022-10-03 01:30:04 字數 3856 閱讀 9541

【例1】如圖所示,質量為m的小球用長l的細線懸掛而靜止在豎直位置。在下列三種情況下,分別用水平拉力f將小球拉到細線與豎直方向成θ角的位置。在此過程中,拉力f做的功各是多少?

⑴用f緩慢地拉;

⑵f為恒力;

⑶若f為恒力,而且拉到該位置時小球的速度剛好為零。

可供選擇的答案有

a. b. c. d.

解析:⑴若用f緩慢地拉,則顯然f為變力,只能用動能定理求解。f做的功等於該過程克服重力做的功。選d

⑵若f為恒力,則可以直接按定義求功。選b

⑶若f為恒力,而且拉到該位置時小球的速度剛好為零,那麼按定義直接求功和按動能定理求功都是正確的。選b、d

在第三種情況下,由=,可以得到,可見在擺角為時小球的速度最大。實際上,因為f與mg的合力也是恒力,而繩的拉力始終不做功,所以其效果相當於乙個擺,我們可以把這樣的裝置叫做「歪擺」。

【例2】如圖所示,線拴小球在光滑水平面上做勻速圓周運動,圓的半徑是1m,球的質量是0.1kg,線速度v=1m/s,小球由a點運動到b點恰好是半個圓周。那麼在這段運動中線的拉力做的功是()

a.0b.0.1jc.0.314jd.無法確定

解析:小球做勻速圓周運動,線的拉力為小球做圓周運動的向心力,由於它總是與運動方向垂直,所以,這個力不做功。故a是正確的。

【例3】下面列舉的哪幾種情況下所做的功是零()

a.衛星做勻速圓周運動,地球引力對衛星做的功

b.平拋運動中,重力對物體做的功

c.舉重運動員,扛著槓鈴在頭上的上方停留10s,運動員對槓鈴做的功

d.木塊在粗糙水平面上滑動,支援力對木塊做的功

解析:引力作為衛星做圓周運動的向心力,向心力與衛星運動速度方向垂直,所以,這個力不做功。槓鈴在此時間內位移為零。

支援力與位移方向垂直,所以,支援力不做功。故a、c、d是正確的。

【例4】用力將重物豎直提起,先是從靜止開始勻加速上公升,緊接著勻速上公升。如果前後兩過程的運動時間相同,不計空氣阻力,則()

a.加速過程中拉力做的功比勻速過程中拉力做的功大

b.勻速過程中拉力做的功比加速過程中拉力做的功大

c.兩過程中拉力做的功一樣大

d.上述三種情況都有可能

解析:應先分別求出兩過程中拉力做的功,再進行比較。重物在豎直方向上僅受兩個力作用,重力mg、拉力f。

勻加速提公升重物時,設拉力為f1,物體向上的加速度為a,根據牛頓第二定律

得f1-mg=ma

拉力f1所做的功

①勻速提公升重物時,設拉力為f2,根據平衡條件得f2=mg

勻速運動的位移

所以勻速提公升重物時拉力的功

②比較①、②式知:當a>g時,;當a=g時,;當a故d選項正確。

【例5】質量為m的物體,受水平力f的作用,在粗糙的水平面上運動,下列說法中正確的是()

a.如果物體做加速直線運動,f一定做正功

b.如果物體做減速直線運動,f一定做負功

c.如果物體做減速直線運動,f可能做正功

d.如果物體做勻速直線運動,f一定做正功

解析:物體在粗糙水平面上運動,它必將受到滑動摩擦力,其方向和物體相對水平面的運動方向相反。當物體做加速運動時,其力f方向必與物體運動方向夾銳角(含方向相同),這樣才能使加速度方向與物體運動的方向相同。

此時,力f與物體位移的方向夾銳角,所以,力f對物體做正功, a對。

當物體做減速運動時,力f的方向可以與物體的運動方向夾銳角也可以夾鈍角(含方向相反),只要物體所受合力與物體運動方向相反即可,可見,物體做減速運動時,力f可能對物體做正功,也可能對物體做負功, b錯,c對。

當物體做勻速運動時,力f的方向必與滑動摩擦力的方向相反,即與物體位移方向相同,所以,力f做正功,d對。

故a、c、d是正確的。

【例6】如圖所示,均勻長直木板長l=40cm,放在水平桌面上,它的右端與桌邊相齊,木板質量m=2kg,與桌面間的摩擦因數μ=0.2,今用水平推力f將其推下桌子,則水平推力至少做功為()(g取10/s2)

a.0.8jb.1.6jc.8jd.4j

解析:將木板推下桌子即木塊的重心要通過桌子邊緣,水平推力做的功至少等於克服滑動摩擦力做的功, j。故a是正確的。

【例7】關於力對物體做功,以下說法正確的是()

a.一對作用力和反作用力在相同時間內做的功一定大小相等,正負相反

b.不論怎樣的力對物體做功,都可以用w=fscosα

c.合外力對物體不作功,物體必定做勻速直線運動

d.滑動摩擦力和靜摩擦力都可以對物體做正功或負功

解析:一對作用力和反作用力一定大小相等、方向相反,而相互作用的兩物體所發生的位移不一定相等,它們所做的功不一定大小相等,所以,它們所做的功不一定大小相等,正負相反。公式w=fscosα,只適用於恒力功的計算。

合外力不做功,物體可以處於靜止。滑動摩擦力、靜摩擦力都可以做正功或負功,如:在一加速行駛的卡車上的箱子,若箱子在車上打滑(有相對運動),箱子受滑動摩擦力,此力對箱子做正功;若箱子不打滑(無相對運動),箱子受靜摩擦力,對箱子也做正功。

故d是正確的。

【例8】質量為2t的農用汽車,發動機額定功率為30kw,汽車在水平路面行駛時能達到的最大時速為54km/h。若汽車以額定功率從靜止開始加速,當其速度達到v=36km/h時的瞬時加速度是多大?

解析:汽車在水平路面行駛達到最大速度時牽引力f等於阻力f,即pm=f vm,而速度為v時的牽引力f=pm/v,再利用f-f=ma,可以求得這時的a=0.50m/s2

【例9】卡車在平直公路上從靜止開始加速行駛,經時間t前進距離s,速度達到最大值vm。設此過程中發動機功率恒為p,卡車所受阻力為f,則這段時間內,發動機所做的功為()

a.ptb.fsc.pt=fsd.fvmt

解析:發動機所做的功是指牽引力的功。由於卡車以恆定功率運動,所以發動機所做的功應等於發動機的功率乘以卡車行駛的時間,∴a對。

b項給出的是卡車克服阻力做的功,在這段時間內,牽引力的功除了克服阻力做功外還要增加卡車的功能,∴b錯。c項給出的是卡車所受外力的總功。d項中,卡車以恆功率前進,將做加速度逐漸減小的加速運動,達到最大速度時牽引力等於阻力,阻力f乘以最大速度是發動機的功率,再乘以t恰是發動機在t時間內做的功。

故a d是正確的。

【例10】質量為m、額定功率為p的汽車在平直公路上行駛。若汽車行駛時所受阻力大小不變,並以額定功率行駛,汽車最大速度為v1,當汽車以速率v2(v2解析:速度最大時,牽引力最小,在量值上等於阻力。

所以,以速率v2運動時,由牛頓第二定律有:f-f=ma

其中,得【例11】質量是2000kg、額定功率為80kw的汽車,在平直公路上行駛中的最大速度為20m/s。若汽車從靜止開始做勻加速直線運動,加速度大小為2m/s2,運動中的阻力不變。求:

①汽車所受阻力的大小。②3s末汽車的瞬時功率。③汽車做勻加速運動的時間。

④汽車在勻加速運動中牽引力所做的功。

解析:①所求的是運動中的阻力,若不注意「運動中的阻力不變」,則阻力不易求出。以最大速度行駛時,根據p=fv,可求得f=4000n。而此時牽引力和阻力大小相等。

②由於3s時的速度v=at=6m/s,而牽引力由f—ff=ma得f=8000n,故此時的功率為p=fv =4.8×104w。

③設勻加速運動的時間為t,則t時刻的速度為v=a t=2t,這時汽車的功率為額定功率。由p=fv,將f=8000n和v=2 t代入得t=5s。

④雖然功率在不斷變化,但功率卻與速度成正比,故平均功率為額定功率的一半,從而得牽引力的功為w=pt=40000×5j=2×105j.

點評:③中的時間,有的學生用v=at,得t=vm/a=10s,這是錯誤的。要注意,汽車不是一直勻加速到最大速度的。

【例12】 質量為0.5kg的物體從高處自由下落,在下落的前2s內重力對物體做的功是多少?這2s內重力對物體做功的平均功率是多少?

2s末,重力對物體做功的即時功率是多少?(g取)

解析:前2s, m,

,平均功率w,

2s末速度,

2s末即時功率w。

14 3功和功率

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