高中物理硬核知識——求力對物體做功的四大方法

2020-12-04 中學物理小家

高中物理必修二《機械能守恆定律》中介紹了一個重要的概念——功。

功是能量轉化的量度,要想研究各種能量如何變化、變化了多少必須依靠做功來分析。

所以功在能量變化問題的分析中相當重要。

在課本中給出的力對物體做功的公式是:W=FLcosa

不過可惜的是這個公式在實際應用中只能求恆力對物體做的功,僅此一種。

在相當多的題目中,需要我們求變力對物體做功,為了能更好的計算變力做功,小編為大家總結了以下四種方法:

方法1 利用微元法求變力做功

將物體的位移分割成許多小段,因每一小段很小,每一小段上作用在物體上的力可以視為恆力,這樣就將變力做功轉化為在無數個無窮小的位移上的恆力所做功的代數和,此法在中學階段常應用於求解大小不變、方向改變的變力做功問題。

例如:質量為m的木塊在動摩擦因數為u的水平面內做圓周運動,圓周運動的半徑為R,運動一周克服摩擦力做功為多少。

分析:此題中物體做圓周運動,摩擦力的方向與運動方向相反,所以摩擦力的方向時刻改變,但大小不變,我們可以把圓周軌跡分割成無數小段,每一小段可以近似看成直線,這樣在每一小段中摩擦力就可以看成大小、方向都不變的恆力。然後把每一小段克服摩擦力做功相加,即可得到總的摩擦力做功。

方法2 用F-x圖像求變力做功

在F-x圖像中,圖線與x軸所圍「面積」的代數和就表示力F在這段位移所做的功,且位於x軸上方的「面積」為正,位於x軸下方的「面積」為負,但此方法只適用於便於求圖線所圍面積的情況(如三角形、矩形、圓等規則的幾何圖形)。

例如:一水平拉力拉著一物體在水平面上運動的位移為x0,力與位移的圖像如圖所示,求此力所做的功。

根據方法的介紹,力的圖線與t軸圍成的梯形的面積就是變力F對物體所做的功,直接求梯形面積即可。

方法3 用動能定理求變力做功

動能定理既適用於直線運動,也適用於曲線運動,既適用於求恆力做功,也適用於求變力做功.因為使用動能定理可由動能的變化來求功,所以動能定理是求變力做功的首選。

例如:如圖所示,用力F把小球從A處緩慢拉到B處,求F做功。

在此過程中,小球受到三個力的作用,拉力F做功,重力做功,繩子拉力與速度永遠垂直不做功,重力做功與拉力F做功之和等於小球的末動能減初動能,又由於小球緩慢運動,所以初、末動能皆為0,帶入動能定理公式即可求出拉力F做功。

方法4 「轉化法」求變力做功

通過轉換研究的對象,可將變力做功轉化為恆力做功,用W=Flcos α求解,如輕繩通過定滑輪拉動物體運動過程中拉力做功問題。

例如:如圖,定滑輪至滑塊的高度為h,已知細繩的拉力為F(恆定),滑塊沿水平面由A點運動至B點,滑塊在初、末位置時細繩與水平方向夾角分別為α和β.不計滑輪質量及繩與滑輪間的摩擦.求滑塊由A點運動到B點過程中,繩的拉力對滑塊所做的功。

繩子對物體的拉力方向發生改變,是一個變力,但繩子右端的拉力大小、方向均不變,是一個恆力,我們可以轉化為繩子右端的拉力F做功,因為繩子兩端的拉力大小是相等的,所以直接求繩子右端的拉力F做功即可。

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