用功能关系解决实际问题:分析实际问题中的数量关系

  1 概述�      功和能关系几乎贯穿于整个物理学。可以这么说:能否正确、熟练地运用功能关系解题(包括动能定理、机械能守恒定律、功能原理等)是学生物理学习是否入门的重要标志,是教师判断学生掌握这方面知识程度的试金石。
  深刻理解功是能量转化的量度,是掌握能量守恒定律的突破口。下面以表格形式讨论几个重要的力的做功特点与对应形式能量转化之间的关系。�
  
  2 例题�
  
  1 (05・全国物理竞赛预赛)如图1所示,一根长为l的细刚性轻杆的两端分别连结小球a和b,它们的质量分别为m�a和m�b。杆可绕距a球为14处的水平定轴O在竖直平面内转动。初始时杆处于竖直位置。小球b几乎接触桌面。在杆的右边水平桌面上,紧挨着细杆放着一个质量为m的立方体匀质物块,图中ABCD为过立方体中心且与细杆共面的截面。现用一水平恒力F作用于a球上,使之绕O轴逆时针转动,求当a转过α角时小球b速度的大小。设在此过程中立方体物块没有发生转动,且小球b与立方体物块始终接触没有分离。均不计一切摩擦。�
  解题点拨 相互作用的作用力和反作用力做功大小相同、符号相反,做功的总和为0。因此在整个过程中推力F所做的功应等于球a、b和立方体机械能的增量。�
  解 用v�b表示a转过α角时b球速度的大小,v表示此时立方体速度的大小,则有v=v�b�cos�α。①�
  用v�a表示a球速度的大小,因为a、b角速度相同,Oa=14l,Ob=34l, 故v�a=13v�b。②�
  由图2所示及根据功能原理可知�
  (03・全国)一传送带装置如图3所示,其中传送经过AB区域时是水平的,经过BC区域时变为圆弧形(圆弧由光滑模板形成,未画出),经过CD区域时是倾斜的,AB和CD都与BC相切;现将大量的质量均为m的小货箱一个一个在A处放到传送带上,放置时初速度为零,经传送带运送到D处,D和A的高度差为力h。稳定工作时传送带速度不变,CD段上各箱等距排列,相邻两箱的距离为L。每个箱子在A处投放后,在到达B之前已经相对于传送带静止,且以后也不再滑动(忽略BC段时的微小滑动);已知在一段相当长的时间T内,共运送小货箱的数目为N。这装置由电动机带动。传送带与轮子间无相对滑动,不计轮轴处的摩擦。求电动机的平均输出功率 �P�。�
  
  解题点拨 本题考查了力学部分几乎所有重点知识。要弄清小货箱在水平段做匀加速直线运动,摩擦力f对小货箱作正功,动能增加,小货箱位移是s, f′对传送带做负功,传送带位移为2s。两者差即为克服摩擦力作功所产生的热量。根据电动机输出的功用于增加小货箱动能、重力势能和发热,即可求得电动机的平均功率。�
  解 以地面为参考系(下同),设传送带的运动速度为v�0,在水平段运输过程中,小货箱在滑动摩擦力作用下做匀加速运动的路程为s,所用时间为t,加速度为a,则对小箱有�
  (栏目编辑 黄懋恩)
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