中學數學選修二《機械能守恒定理》中介紹了一個重要的概念——功。
功是能量轉化的量度,要想研究各類能量怎樣變化、變化了多少必須借助做功來剖析。
所以功在能量變化問題的剖析中相當重要。
在課本中給出的力對物體做功的公式是:W=
不過可惜的是這個公式在實際應用中只能求恒力對物體做的功,僅此一種。
在相當多的題目中,須要我們求變力對物體做功,為了能更好的估算變力做功,小編為你們總結了以下四種方式:
方式1借助微元法求變力做功
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恒力,這樣就將變力做功轉化為在無數個無窮小的位移上的恒力所做功的代數和,此法在小學階段常應用于求解大小不變、方向改變的變力做功問題。
比如:質量為m的鐵塊在動磨擦質數為u的水平面內做圓周運動,圓周運動的直徑為R,運動一周克服磨擦力做功為多少。
剖析:此題中物體做圓周運動,磨擦力的方向與運動方向相反,所以磨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,這樣在每一小段中磨擦力就可以看成大小、方向都不變的恒力。之后把每一小段克服磨擦力做功相乘,即可得到總的磨擦力做功。
方式2用F-x圖象求變力做功
在F-x圖象中摩擦力做功的計算公式,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,且坐落x軸上方的“面積”為正,坐落x軸下方的“面積”為負,但此方式只適用于易于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)。
比如:一水平拉力拉著一物體在水平面上運動的位移為x0,力與位移的圖象如圖所示,求此力所做的功。
依據技巧的介紹,力的圖線與t軸圍成的矩形的面積就是變力F對物體所做的功,直接求矩形面積即可。
方式3用動能定律求變力做功
動能定律既適用于直線運動,也適用于曲線運動,既適用于求恒力做功,也適用于求變力做功.由于使用動能定律可由動能的變化來求功,所以動能定律是求變力做功的首選。
比如:如圖所示,使勁F把小球從A處平緩拉到B處,求F做功。
在此過程中,小球遭到三個力的作用,拉力F做功,重力做功,繩子拉力與速率永遠垂直不做功,重力做功與拉力F做功之和等于小球的末動能減初動能摩擦力做功的計算公式,又因為小球平緩運動,所以初、末動能皆為0,帶入動能定律公式即可求出拉力F做功。
方式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恒力做功,用W=Flcosα求解,如輕繩通過定滑輪帶動物體運動過程中拉力做功問題。
比如:如圖,定滑輪至滑塊的高度為h,已知細繩的拉力為F(恒定),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傾角分別為α和β.不計滑輪質量及繩與滑輪間的磨擦.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,是一個恒力,我們可以轉化為繩子右端的拉力F做功,由于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。