六種情況,分層導讀,層層落實,變力做功一網打盡

功的公式W=FLcosθ只能用來求解恆力做功。考試中會遇到各種變力作用的情況 ,那麼變力做功如何求解呢?

一、利用F-x圖像法求變力做功

問題1.結合必修一第二章“由v-t圖像推導勻變速位移公式”中學習過的微元思想,思考F-x圖象面積的物理意義?


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答:將x微分成n份,每份的F可以看做恆力,每份矩形的面積都是該段恆力做的功。將這n個矩形的面積求和,即為變力F全程做的功。

問題2. F在第一個過程做功多少?第二個過程做功多少?全程做多少功?


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答案:

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結論:F-x圖象中,圖線和橫軸所圍成的面積即表示力所做的功


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二、利用P-t圖像求功

問題1:圖像的“面積”往往代表一個物理量。功率P與時間t圖像所圍的面積,有意義嗎?如果有意義,代表什麼物理量呢?

問題2:如下圖所示,在t0時間內處力對物體做的功為多少?


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答案:1.由公式P=W/t知,P-t圖像與時間軸所圍的面積表示功。如上圖所示。

  1. t0時間內,外力做的功等於上圖紅色區域的面積W=P0t0/2.


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三、微元法求變力的功

問題1:在粗糙的水平面上,一物體沿半徑為R的圓形軌道走一圈,是否可用公式W=FLcosɑ直接求解摩擦力對物體所做的功?該怎樣求解此類力做的功?

答:不能。摩擦力不是恆力。可用微元法,將每個小過程的摩擦力都看作恆力,然後將全過程各段摩擦力做的功代數求和即可。

問題2:什麼樣的變力可以用以上方法求解?

答:力的大小不變,方向時刻與速度的夾角一定。

例3、

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四、平均值法求變力的功

問題

用鐵錘把小鐵釘釘入木板,設木板對釘子的阻力與釘進木板的深度成正比,已知鐵錘第一次將釘子釘進的深度為d,如果鐵錘第二次敲釘子時對釘子做的功與第一次相同,那麼,第二次釘子進入木板的深度是多少?


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總結

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(恆力)代替變力,然後利用功的定義式計算。

四、等效法

問題

1.人站在地上以恆力F拉繩,向左移動S的位移,同時使小車也向左運動X的位移,判斷繩子對小車的拉力是恆力還是變力?

答:變力。

2.如何求解繩子拉力對小車做的功?

答:繩子拉力對小車做的功與恆力F做功等值,

所以WT=WF=F·S。


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總結

等值法是若某一變力的功和某一恆力的功相等,則可以通過計算該恆力的功,求出該變力的功。由於恆力做功又可以用W=FScosa計算,從而使問題變得簡單。也是我們常說的:通過關連點,將變力做功轉化為恆力做功。

五、恆定功率下牽引力的功可以用W=Pt求解

問題1:機車啟動過程中,若功率保持不變,汽車從靜止開始做什麼運動?

答:根據P=Fv可以知道,P一定,隨著速度v的增加,汽車做加速度減少的加速度運動,直到勻速運動。其速度時間圖像如圖所示。


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問題2:汽車從靜止到最大速度持續時間為t,汽車在額定功率下啟動,這一過程中汽車做的功為多少?

答案:由P=W/t得,機車牽引力做的功W=Pt.

六、用動能定理求變力的功

可以說,用動能定理求變力做功是最最硬核和最最常用的方法。

1.動能定理不僅適用於求恆力做的功,也適用於求變力做的功,同時因為不涉及變力作用的過程分析,應用非常方便.

2.利用動能定理求變力的功是最常用的方法,當物體受到一個變力和幾個恆力作用時,可以用動能定理間接求變力做的功,即W變+W其他=ΔEk.


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例5、例5、 (2019·廈門市高一下學期期末)如圖2所示,有一半徑為r=0.5 m的粗糙半圓軌道,A與圓心O等高,有一質量為m=0.2 kg的物塊(可視為質點),從A點靜止滑下,滑至最低點B時的速度為v=1 m/s,取g=10 m/s2,下列說法正確的是(  )

A.物塊過B點時,對軌道的壓力大小是0.4 N

B.物塊過B點時,對軌道的壓力大小是2.0 N

C.A到B的過程中,克服摩擦力做的功為0.9 J

D.A到B的過程中,克服摩擦力做的功為0.1 J


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