看图说“理”——怎么求变力所做的功?

在高中阶段,功的公式W=Flcos α常用于恒力做功的计算,对变力的功应该怎么求呢?下面结合几个简单情景分析一下。

(1)用功能关系求变力的功

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

他们这样曲折向上登,才能使挂在扁担前头的东西不碰在台阶上,还可以省些力气。担了重物,如果照一般登山的人那样直上直下,膝头是受不住的。但是路线曲折,就会使路线加长,挑山工登一次山,走的路程大约比游人多一倍。

怎样计算登山过程中人对重物做的功呢?

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

【说理】挑山工登山过程中,对重物的力是复杂多变的,无法直接求解他做的功,但挑山工对重物做的功近似等于登山过程中克服重力做的功,即等于重物重力势能的增加量,所以有:W人=mgh.

(2)用W=Pt求变力的功

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在室内自行车比赛中,运动员出发时都会竭尽全力,可以认为运动员的功率是一定的,根据P=Fv可知,随着速度的增加,牵引力会减小,所以运动员做加速度减小的加速运动,当牵引力和阻力相等时,速度达到最大而趋于稳定。

怎样计算运动员在“启动”过程中做的功呢?

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

【说理】运动员在“启动”阶段,牵引力是随着速度的变化而变化的,无法直接求解运动员做的功,但该力的功率是近似不变的,若知道了功率P和加速时间t,则可用W=Pt求运动员做的功。

(3) 用“微元法”求变力的功

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

说到 “推磨”,你会感到很陌生吧!在没有用上机器磨、电磨之前,北方吃粮食首先要用石磨把粮食磨成面,这个过程很费力,有牲口的用牲口拉着磨,没有牲口的就得用人推,所以磨面的过程又叫"推磨"。

怎样计算“推磨”过程中推力所做的功呢?

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

【说理】推磨时,推力的方向可认为始终与运动方向相同,若推力的大小F不变,则运动很小的一段弧长△s时,推力所做的功△W=F△s,将这些“微功”累加起来就可以得到,推力做的总功W=Fs,其中s为推力转动的总弧长。

说明:当力的大小不变,而方向始终与运动方向相同或相反时,该力的功或克服该力的功等于力和路程的乘积,又如空气阻力做功.

(4)用“图象法”求变力的功.

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

拉力器是一种适合于大众健身锻炼的器械,它可以很好的锻炼胸肌,并使肱二头肌和肱三头肌都得到完美的塑形。拉力器是由几根弹簧“并联”而成的,当弹簧受到拉伸时,弹力的大小也随之改变。

怎样计算拉伸弹簧的过程中克服弹力做的功呢?

看图说“理”——怎么求变力所做的功?

【说理】当拉伸弹簧时,弹簧的弹力是变力,根据胡克定律可知,当弹簧形变量为x时,弹力F=kx,对应的F-x图象如图所示,则F-x图线与x轴所围的面积,即为拉伸弹簧的过程中克服弹力所做的功(可类比v-t图象中面积的意义),即W=kx^2/2.


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