如果力F随位移x的变化关系明确,始末位置清楚,可在平面直角坐标系内画出F-S图象,图象下方与坐标轴所围的“面积”表示功。图象求功具有形象、直观、简捷的特点。
例11. 用铁锤将一铁钉击入木块,设木块对铁钉的阻力与铁钉钉入木块内的深度成正比。在铁锤击第一次时,能把铁钉击入木块内1cm,如图8。问击第二次时,能击入多深?(设铁锤每次做功都相等)
解析:因为阻力
,以F为纵坐标,F方向上的位移x为横坐标,作出
图象,如图8所示,函数线与x轴所夹阴影部分面积的值等于F对铁钉做的功。
由于两次做功相等,故有:
(面积)
即![]()
![]()
小结:一个看似复杂的变力做功问题,用常规方法无从下手,但通过图象变换,就使得解题过程简单、明了。可见,图象法是一个很好的解题方法,值得掌握。
高中物理"功的计算立体化复习"在我们教学中已收到良好的效果,它不仅较好地达到复习能量规律分析物理问题,还能较好地训练学生的思维方法,通过分析、归纳、演绎、渗透、想象、迁移等把握事物的内部联系,培养学生的各种能力。
作者介绍:程毓敏,江西省浮梁一中物理高级教师,
地 址: 江西省浮梁一中
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7.所有力做功的代数和(总功)等于物体动能的增量,即(动能定理)。
如果所研究的物体同时受几个力的作用,而这几个力中只有一个力是变力,其余均为恒力,且这些恒力所做的功和物体动能的变化量容易计算时,用动能定理求功是行之有效的。
例9.质量为m的物体放在水平转台上,它与转台之间的摩擦因数为μ,物体与转轴相距R,物块随转台由静止开始转动。当转速增大到最大时,物体即将在转台上滑动,此时,转台己开始做匀速转动,在这一过程中,摩擦力对物体做的功为( ) A.0 B.2πμmgR C.2μmgR D.μmgR/2 解析:很明显,用直接求功法解此题很困难,但由于物体在转速最大时,它做圆周运动的向心力正好是它受到的最大静摩擦力,即有:μmg =mv2/R,可以求出它的最大速度,而整个过程只有静摩擦力对物体做功,故根据动能定理可以求出摩擦力对其做的功:W=mv2/2=μmgR/2。故选D。
例10. 质量为2kg的均匀链条自然堆放在光滑的水平面上,用20N竖直向上的拉力提起此链条,已知整个链条离地瞬间的速度v=7m/s,求拉力F所做功W之值。(取g=10m/s2)
解析: 作用在链条上的拉力虽然是恒力,但链条上提过程中提起部分的重力逐渐增大,故作用在整个链条上的合力为逐渐减小的变力,链条做变加速运动,难以应用牛顿定律求解。若用功能原理处理运动全过程,则可化难为易。设链长为L,则其重心向上位移H=L/2,根据动能定理,
,
即
①
又由功的定义 W= FL 即L=W/F ②
将式②代入式①,解得:W= 98J。
小结:利用动能定理可以求变力做功,但不能用功的定义式直接求变力功,并且用动能定理只要求始末状态,不要求中间过程。这是动能定理比牛顿运动定律优越的一个方面。
6.2电磁感应现象中,感应电流在磁场中受到的安培力作了多少功就有多少电能产生,而这些电能又通过电流做功转变成其他能,如电阻上产生的焦耳热Q = WA
例8.、如图6所示,倾角θ=300,宽度L=1m的足够长的U形平行光滑金属导轨,导轨电阻不计,固定在磁感强度B=1T的范围充分大的匀强磁场中,磁场方向垂直导轨平面斜向上。用平行导轨功率恒为6W的牵引力F牵引一根质量为m=0.2Kg,电阻R=1Ω的金属棒ab由静止沿导轨向上移动,当ab移动S=2.8m时,获得稳定速度,在此过程中金属棒产生的焦耳热为5.8J(不计一切摩擦,g取10m/s2).问:金属棒从静止达到稳定速度所需的时间是多少?
解析:对导体棒受力分析如图7所示,可知导体棒达到稳定速度时:
![]()
据功能关系,导体棒克服安培力做功:
WA = Q =5.8J
又据动能定理:合外力做的总功等于动能的增量
Pt-mgh-WA=
mv2
解得V=2m/s ,
联立求解得:t=1.5s.