看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

在高中階段,功的公式W=Flcos α常用於恆力做功的計算,對變力的功應該怎麼求呢?下面結合幾個簡單情景分析一下。

(1)用功能關係求變力的功

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

他們這樣曲折向上登,才能使掛在扁擔前頭的東西不碰在臺階上,還可以省些力氣。擔了重物,如果照一般登山的人那樣直上直下,膝頭是受不住的。但是路線曲折,就會使路線加長,挑山工登一次山,走的路程大約比遊人多一倍。

怎樣計算登山過程中人對重物做的功呢?

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

【說理】挑山工登山過程中,對重物的力是複雜多變的,無法直接求解他做的功,但挑山工對重物做的功近似等於登山過程中克服重力做的功,即等於重物重力勢能的增加量,所以有:W人=mgh.

(2)用W=Pt求變力的功

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

在室內自行車比賽中,運動員出發時都會竭盡全力,可以認為運動員的功率是一定的,根據P=Fv可知,隨著速度的增加,牽引力會減小,所以運動員做加速度減小的加速運動,當牽引力和阻力相等時,速度達到最大而趨於穩定。

怎樣計算運動員在“啟動”過程中做的功呢?

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

【說理】運動員在“啟動”階段,牽引力是隨著速度的變化而變化的,無法直接求解運動員做的功,但該力的功率是近似不變的,若知道了功率P和加速時間t,則可用W=Pt求運動員做的功。

(3) 用“微元法”求變力的功

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

說到 “推磨”,你會感到很陌生吧!在沒有用上機器磨、電磨之前,北方吃糧食首先要用石磨把糧食磨成面,這個過程很費力,有牲口的用牲口拉著磨,沒有牲口的就得用人推,所以磨面的過程又叫"推磨"。

怎樣計算“推磨”過程中推力所做的功呢?

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

【說理】推磨時,推力的方向可認為始終與運動方向相同,若推力的大小F不變,則運動很小的一段弧長△s時,推力所做的功△W=F△s,將這些“微功”累加起來就可以得到,推力做的總功W=Fs,其中s為推力轉動的總弧長。

說明:當力的大小不變,而方向始終與運動方向相同或相反時,該力的功或克服該力的功等於力和路程的乘積,又如空氣阻力做功.

(4)用“圖象法”求變力的功.

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

拉力器是一種適合於大眾健身鍛鍊的器械,它可以很好的鍛鍊胸肌,並使肱二頭肌和肱三頭肌都得到完美的塑形。拉力器是由幾根彈簧“並聯”而成的,當彈簧受到拉伸時,彈力的大小也隨之改變。

怎樣計算拉伸彈簧的過程中克服彈力做的功呢?

看圖說“理”——怎麼求變力所做的功?

【說理】當拉伸彈簧時,彈簧的彈力是變力,根據胡克定律可知,當彈簧形變量為x時,彈力F=kx,對應的F-x圖象如圖所示,則F-x圖線與x軸所圍的面積,即為拉伸彈簧的過程中克服彈力所做的功(可類比v-t圖象中面積的意義),即W=kx^2/2.


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