变力做功的求解方法 变力做功

  1.平均力法   如果参与做功的变力,其方向不变,而大小随位移线性变化,则可求出平均力,等效代入公式W=FScosθ求解。   例:一辆汽车质量为10 kg,从静止开始运动,其阻力为车重的0.05倍,其牵引力的大小与车前进的距离变化关系为F=10 x+f ,f 是车所受的阻力,当车前进100m时,牵引力做的功是多少?
  解析:由于车的牵引力和位移的关系为F=10 x+f ,是线性关系,故前进100m过程中的牵引力做的功可看作是平均牵引力 所做的功。由题意可知f =0.05×10 ×10N=5×10 N,所以汽车前进100m过程中平均牵引力 = N=1×10 N,所以W= S=1×10 ×100J=1×10 N。
  2.微元法
  当物体在变力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段,每一个小段可认为恒力做功,总功即为各个小段做功的代数和。
  例:某力F=10N作用于半径R=1m的转盘的边缘上,力F的大小保持不变,但方向始终保持与作用点的切线方向一致,则转动一周这个力F做的总功应为()。
  A.0JB.20πJC.10JD.20J
  解析:把圆周分成无限个小段,每一个小段可认为与力在同一直线上,故Δw=FΔs,则转一周中各个小段做功的代数和为W=F×2πR=10×2πJ=20πJ,所以B正确。
  3.等值法
  等值法即若某一变力的功和某一恒力的功相等,则可以通过计算该恒力的功,求出该变力的功。而恒力做功又可以用W=FScosθ计算,从而使问题变得简单。
  
  例:如图1所示,定滑轮至滑块的高度为h,已知细绳的拉力为F(恒力),滑块沿水平面由A点前进至B点,滑块在初、末位置时细绳与水平方向夹角分别为α和β。求滑块沿水平面由A点前进至B点过程中,绳的拉力对滑块所做的功。
  解析:设绳对物体的拉力为F ,显然人对绳的拉力为F等于F 。F 在对物体做功的过程中大小虽然不变,但其方向时刻在改变,因此该问题是变力做功的问题。但是在滑轮的质量和滑轮与绳间的摩擦力不计的情况下,人对绳做的功就绳的拉力对物体做的功。而拉力的大小和方向都不变,所以F做的功可以用公式W=FScosθ直接计算。由图可知,在绳与水平面的夹角由变α到β的过程中,拉力F的作用点的位移的大小为Δs=s -s = - ,所以W =W =FΔs=Fh( - )。
  4.图像法
  如果参与做功的变力方向与位移方向始终一致而大小随时变化,我们可作出该力随位移变化的图像。那么图线与坐标轴所围成的面积,即为变力做的功。
  例:用铁锤将一铁钉击入木块,设木块对铁钉的阻力与铁钉进入木块内的深度成正比。在铁锤击第一次后,能把铁钉击入木块内1cm,则击第二次后,能击入多少深度?(设铁锤每次做功相等)
  解析:因为阻力F=kx,以F为纵坐标,F方向上的位移x为横坐标,作F―x图像,如图2所示。曲线下面积的值等于F对铁钉做的功。由于铁锤每次做功相等,故有S =S (面积),即 kx= k(x +x )(x -x ),所以Δx=x -x =0.41cm。
  5.用W=Pt求恒定功率下的变力(如汽车、轮船的牵引力)功
  例:正在执行巡逻任务的我海军舰艇“猎鹰”号,突然接到命令前往某海域拦截一走私渔船。该舰艇接到命令后,立即调转船头加速前进。经过5min,前进了6km,提前到达目的地。若在这段时间内舰艇发动机的功率恒为10×10 W,舰艇所受的阻力为5×10 N,则在这段时间内舰艇做的功是多少?
  解析:这段时间内,由P=Fv和题意知牵引力是变力,但因发动机的功率恒定,故可用W=Pt求得发动机的功W=Pt=10×10 ×5×60J=3×10 J,即牵引力的功是3×10 J。
  6.动能定理法
  例:如图3所示,物体沿一曲面从A点无初速度滑下,滑至曲面的最低点B时,下滑高度为5m,若物体的质量为1kg,到B点时的速度为6m/s,则在下滑过程中,物体克服阻力所做的功为多少?(g=10m/s )
  解析:由A到B用动能定理得:mgh-W= mv-0,得出:W=mgh- mv, 代入数据得W=32J。
  7.功能关系法。
  
  功是能量转化的量度。
  例:某学生想把水平面上平放的N块质量均为m、厚度为h的砖竖直地摞起来,如图4所示,至少要做多少功?
  解析:若把N块砖摞起来,则砖的整体的重心升高了Δh= - ;N块砖的重力势能增加了ΔE =NmgΔh=Nmg( - )=Nmgh( )。由功能关系得,该学生至少做功W=ΔE =Nmgh( )。
  
  注:“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。”
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