变力做功学习.pptx

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1、4.4.物理意义：功是能量转化的量度物理意义：功是能量转化的量度.5.5.单位：焦耳单位：焦耳(J)(J)1J=1Nm.1J=1Nm.6.6.功是标量，没有方向、但是有正负功是标量，没有方向、但是有正负,正负表示物体是正负表示物体是输入了能量还是输出了能量输入了能量还是输出了能量 .当当009090时时WW0 0，力对物体做正功；，力对物体做正功；若物体做直线运动，由若物体做直线运动，由力和位移夹角力和位移夹角来判断较方便。来判断较方便。当当=90=90时时W=0W=0，力对物体不做功；，力对物体不做功；当当9090180180时，时，WW0 0，力对物体做负功或，力对物体做负功或说成物体克服

2、这个力做功说成物体克服这个力做功.若物体做曲线运动，利用若物体做曲线运动，利用力和速度的夹角力和速度的夹角来判断做。来判断做。时，力对物体做正功；时，力对物体做正功；时，力对物体不做功。时，力对物体不做功。时，力对物体做负功（或物时，力对物体做负功（或物体克服力做功）。体克服力做功）。第1页/共31页7.7.合力的功合力的功有两种方法：有两种方法：（1 1）先求出合力，然后求总功，表达式为）先求出合力，然后求总功，表达式为（为合力与位移方向的夹角）为合力与位移方向的夹角）（2 2）合力的功等于各分力所做功的代数和，即）合力的功等于各分力所做功的代数和，即第2页/共31页二、变力做功的计算二、变

3、力做功的计算 公式公式 适用于恒力功的计算，对于变力做适用于恒力功的计算，对于变力做功的计算，一般有以下几种方法功的计算，一般有以下几种方法1、微元法、微元法 对于变力做功，不能直接用公式进行计算，但是对于变力做功，不能直接用公式进行计算，但是我们可以把运动过程分成很多小段，每一小段内可认我们可以把运动过程分成很多小段，每一小段内可认为为F F是恒力，用公式求出每一小段内力是恒力，用公式求出每一小段内力F F所做的功，然所做的功，然后累加起来就得到整个过程中变力所做的功。这种处后累加起来就得到整个过程中变力所做的功。这种处理问题的方法称为微元法，这种方法具有普遍的使用理问题的方法称为微元法，这

4、种方法具有普遍的使用性。但在高中阶段主要用于解决大小不变，方向总与性。但在高中阶段主要用于解决大小不变，方向总与运动方向相同或相反的变力的做功问题。运动方向相同或相反的变力的做功问题。第3页/共31页每一小段，就可利用公式每一小段，就可利用公式W=Flcos计算功。再把计算功。再把所有的功都加起来，就是变力整个过程所做的功。所有的功都加起来，就是变力整个过程所做的功。每小段都每小段都足够小足够小直线直线经过时间经过时间足够短足够短恒力恒力（微积分初步思想）（微积分初步思想）12F.1234第4页/共31页 例1 1、用水平拉力，拉着滑块沿半径为R R的水平圆轨道运动一周，如图1 1所示，已知物

5、体的质量为m m，物体与轨道间的动摩擦因数为。求此过程中的摩擦力所做的功。分析解答：把圆轨道分成无穷多个微元段S S1 1,S,S2 2,S,S3 3,S,Sn n.摩擦力在每一段上可认为是恒力，则每一段是摩擦力的功分别摩擦力在一周内所做的功。第5页/共31页 小结点评：对于变力做功，一般不能用功的公式直接进行计算，但有时可以根据变力的特点变通使用功的公式，如力的大小不变而方向总与运动方向相同或相反时，可用公式计算该力的功，但式子中的s s不是物体运动的位移，而是物体运动的路程。发散演习：如图所示，某个力F=10NF=10N作用与半径R=1mR=1m的转盘的边缘上，力F F的大小保持不变，但方

6、向任何时刻与作用点的切线方向保持一致。则转动半圆，这个力F F做功多少？答案：31.4J31.4J第6页/共31页 发散演习2如图所示如图所示,某力某力F=10NF=10N作用于半径作用于半径R=1mR=1m的转盘的转盘的边缘上的边缘上,力力F F的大小保持不变的大小保持不变,但方向始终保持与但方向始终保持与作用点的切线方向一致作用点的切线方向一致,则转动一周这个力则转动一周这个力F F做的总做的总功应为功应为（）A 0 A 0 B 20JB 20J C 10JC 10J D 20J D 20J 发散演习3 如图所示如图所示,在水平面上在水平面上,有一弯曲的槽道有一弯曲的槽道AB,AB,槽道由

7、半径分别为槽道由半径分别为R/2R/2和和R R的两个半圆构成的两个半圆构成.现用大现用大小恒为小恒为F F的拉力将一光滑小球从的拉力将一光滑小球从A A点沿槽道拉至点沿槽道拉至B B点点,若若拉力拉力F F的方向始终与小球运动方向一致的方向始终与小球运动方向一致,则此过程中拉则此过程中拉力所做的功为力所做的功为（）A A 零零B FRB FR C 3FR/2 C 3FR/2D 2FRD 2FRA AB BR RF FR/2R/2第7页/共31页 在直角坐标系中，用纵坐标表示作用在物体上的在直角坐标系中，用纵坐标表示作用在物体上的力力F F，横坐标表示物体在力的方向上的位移，横坐标表示物体在力

8、的方向上的位移s s，如果作，如果作用在物体上的力是恒力，则其用在物体上的力是恒力，则其F-sF-s图象如图图象如图4 4所示。经所示。经过一端时间物体发生的位移为过一端时间物体发生的位移为S S，则图线与坐标轴所围，则图线与坐标轴所围成的面积（阴影面积）在数值上等于对物体做的功成的面积（阴影面积）在数值上等于对物体做的功，s s轴上方的面积表示对物体做的正功，轴上方的面积表示对物体做的正功，S S轴下轴下方的面积表示力对物体做负功（如图（方的面积表示力对物体做负功（如图（b b）所示）。）所示）。2、图象法第8页/共31页 如果F-sF-s图象是一条曲线（如图5 5所示），表示力的大小随位移

9、不断变化，在曲线下方作阶梯形折线，则折线下放每个小矩形面积分别表示相应恒力所做的功。当阶梯折线越分越密时，这些小矩形的总面积越趋进于曲线下方的总面积，可见曲线与坐标所围成的面积在数值上等于变力所做的功。由于F-sF-s图象可以计算功，因此F-sF-s图象又称为示功图。第9页/共31页 例2 2、子弹以速度v v0 0射入墙壁，如射深度为h h，若子弹在墙壁中受到的阻力与深度成正比，欲使子弹的入射深度为2h2h，求子弹的速度应增大到多少？正确解答:设射入深度为h h 时，子弹克服阻力做功w w1 1；射入深度为2h2h时，子弹克服阻力做功W W2 2。由图6 6可知W W2 2=4W=4W1 1

10、 思路点拨：阻力随深度的变化图象如图6 6所示，由图象求出子弹克服阻力所做的功，在由动能定理进行求解。根据动能定理，子弹减少的动能用于克服阻力做功，有联立求解得：第10页/共31页发散演习1 1：一物体以初速度v0冲向与竖起墙壁相连的轻质弹簧，墙壁与物体间的弹簧被物体压缩，在此过程中，下列说法正确的是：（）A、物体对弹簧做的功与弹簧的压缩量成正比B、物体向墙壁移动相同的距离，弹力做的功不相等C、弹力做正功，弹簧的弹性势能减小D、弹力做负功，弹簧的弹性势能增加BCDBCD第11页/共31页答案：2250J2250J提示：作用在物体和铁索上的力至少应等于物体和铁索的重力，但在拉起来的过程中，铁索长

11、度逐渐缩短，因此拉力也逐渐减小，即拉力是一个随距离长度变化的变力，从物体在井底开始算起，拉力随深度h h的变化关系是 作出 图线如图9 9所示，利用示功图求解拉力的功（可用图中梯形面积），得出发散练习发散练习2 2：用质量为用质量为5kg5kg的均匀铁索从的均匀铁索从10m10m深的深的井中吊起一质量为井中吊起一质量为20kg20kg的物体，在这个过程中至少要的物体，在这个过程中至少要做多少功？（做多少功？（g g取取10 10 S S2 2 ）第12页/共31页发散练习3 3：一辆汽车质量为1 1 10105 5kgkg，从静止开始运动，其阻力为车重的0.050.05倍。其牵引力的大小与车前

12、进的距离是线形关系，且 F=10F=103 3 s+5 s+510104 4N N，F Ff f 是车所受阻力，当该车前进100m100m时，牵引力做了多少功？作出F-sF-s图象如图1010所示，图中梯形OABDOABD的面积表示牵引力的功，所以答案：提示：阻力则牵引力为第13页/共31页例汽车的质量为m m，输出功率恒为P P，沿平直公路前进距离s s的过程中，其速度由增至最大速。假定汽车在运动过程中所受阻力恒定，则汽车通过距离s s所用的时间为_._.思路点拨：汽车以恒定的功率P P加速时，由P=FvP=Fv可知，牵引力逐渐减小，汽车做加速度逐渐减小的加速运动，当 时，加速度减小到零，速

13、度达到最大，然后以最大的速度做匀速直线运动。3 3、利用W=PtW=Pt求变力做功这是一种等效代换的观点，用W=PtW=Pt计算功时，必须满足变力的功率是一定的。第14页/共31页两式联立得正确解答：当 时，汽车的速度达到最大，由，可得对汽车，根据动能定有：第15页/共31页误点警示：有同学可能这样解：平均速度时间 这样解是错误的，因为汽车的运动不是匀加速运动，不能用 求平均速度。小结点评：汽车以恒定的功率启动时，牵引力是变力，牵引力的功不能用W=Fs计算，但可以用W=Pt计算，若用 求牵引力的功也是错误的因为牵引力随位移的变化不是线性关系，不能用第16页/共31页发散演习1 1：质量为m m

14、的汽车在平直的公路上从速度 开始加速行使，经过一段时间t t后，前进了距离s s，此时恰好达到其最大速度，设此过程中汽车发动机始终以额定功率P P工作，汽车所受的阻力为恒力则这段时间里，发动机所做的功为：（）提示：发动机所做的功即为发动机牵引力所做的功，由功率定义可知，选项B B正确。答案：A、B第17页/共31页汽车以恒定功率启动，当 时，达到最速度，应有所以选项A正确。选项C、D均将汽车的运动看作匀变速运动，其中选项C是先求出a，再求出合外力ma的功，选项D是先算出平均速度 ，表示发动机做的功显然都是错误的，因为机车的运动是变加速运动而不是匀变速运动第18页/共31页如果变力的方向与位移方

15、向始终一致而如果变力的方向与位移方向始终一致而大小随位移大小随位移线性变化线性变化，则可求出平均力等效代入公式，则可求出平均力等效代入公式W=FscosW=Fscos求解。求解。4 4、平均力法【例例4 4】一辆汽车质量为一辆汽车质量为105kg105kg，从静止开始行驶，从静止开始行驶，行驶过程中所受阻力行驶过程中所受阻力f f为车重的为车重的0.050.05倍，发动机产倍，发动机产生的牵引力生的牵引力F F的大小与前进的距离的大小与前进的距离x x之间有如下关之间有如下关系系F=103x+fF=103x+f。求当该车前进。求当该车前进100m100m时，牵引力所时，牵引力所做的功是多少？（

16、做的功是多少？（g g取取10m/s210m/s2）第19页/共31页【练习练习1 1】用铁锤将一铁钉击入木块用铁锤将一铁钉击入木块,设木块对铁钉设木块对铁钉的阻力与铁钉进入木块内的深度成正比的阻力与铁钉进入木块内的深度成正比.在铁锤击第在铁锤击第一次时一次时,能把铁钉击入木块内深度为能把铁钉击入木块内深度为d.d.问击第二次时问击第二次时,能击入多少深度能击入多少深度?(?(设铁锤每次做功相等设铁锤每次做功相等)第20页/共31页 设阻力与深度间的比例系为K K，F Ff f=ks=ks 由于F Ff f 随位移是线性变化的所以的平均值为小结点评小结点评：若力随位移按一次方函数关系变化：若力

17、随位移按一次方函数关系变化时，求功时可用平均作用力来代替这个变力，用恒时，求功时可用平均作用力来代替这个变力，用恒力功的公式求功，也可用图象求功；若力随位移的力功的公式求功，也可用图象求功；若力随位移的变化不是一次函数关系，则可用变化不是一次函数关系，则可用 F-s 图象求功，图象求功，而而不能用平均值求功。不能用平均值求功。根据动能定理，有 练习2 2、子弹以速度v v0 0射入墙壁，如射深度为h h，若子弹在墙壁中受到的阻力与深度成正比，欲使子弹的入射深度为2h2h，求子弹的速度应增大到多少？第21页/共31页 这种方法的依据是：做功的过程就是能量转化的过程，功是能的转化的量度。如果知道某

18、一过程中能量转化的数值，那么也就知道了该过程中对应的功的数值。例5 5。如图1111所示，质量m=2kgm=2kg的小球系在轻细橡皮条一端，另一端固定在悬点O O处。将橡皮条拉直至水平位置OAOA处（橡皮条无形变）然后将小球由A A处静止释放，小球达O O点正下方h=0.5mh=0.5m处的B B点时的速度为v=2 m/sv=2 m/s。求小球从A A运动到B B的过程中橡皮条的弹力对小球所做的功。取g=10m/sg=10m/s2 25、利用功能关系求变力功第22页/共31页 正确解答：取过B B点的水平面为零重力势能参考平面，橡皮条为原长时的弹性势能为零，设在B B时橡皮条的弹性势能为,由机

19、械能守恒定律得 橡皮条的弹性势能增加橡皮条的弹性势能增加6J6J，则小球的机械能，则小球的机械能必减少必减少6J6J，故橡皮条的弹力对小球做功，故橡皮条的弹力对小球做功-6J-6J。思路点拨：取小球、橡皮条和地球组成的系统为研究对象，在小球从A A运动到B B的过程中，只有系统内的重力和弹力做功，机械能定恒。第23页/共31页 小结点评小结点评：弹簧或橡皮条的弹力是变力，求此：弹簧或橡皮条的弹力是变力，求此类弹力做功可用机械能守恒定律结合弹力做功与弹性类弹力做功可用机械能守恒定律结合弹力做功与弹性势能变化的关系势能变化的关系.提示：对整个过程应用动能理。发散演习：1 1、将一质量为m m的物体

20、以初速度为竖直向上抛出，落回抛出点时的速度为，已知空气阻力与速率成正比，则从抛出到落回抛出点的整个过程中，空气阻力做的功为 ：（）答案：第24页/共31页 发散演习、如图如图1212所示，物体沿曲面从所示，物体沿曲面从A A点无速点无速度滑下，滑至曲面的最底点度滑下，滑至曲面的最底点B B时，下滑的高度为时，下滑的高度为5m5m，速度为，若物体的质量为，速度为，若物体的质量为1kg1kg，则下落过，则下落过程中物体克服阻力做的功为多少？程中物体克服阻力做的功为多少？答案：根据动能定理可得答案：根据动能定理可得 第25页/共31页 发散演习3 3：如图7 7所示，有一劲度系数k=500N/mk=

21、500N/m的轻弹簧，左端固定在墙壁上，右端紧靠一质量m=2m=2的物块，物块与水平面间的动摩擦因数0.4,0.4,弹簧处于自然状态。现缓慢推动物块使弹簧从B B到A A 处压缩1010，然后由静止释放物块，求:（1 1）弹簧恢复原长时，物块的动能多大？（2 2）在弹簧恢复原长的过程中，物块的最大动能为多大？答 案：（1 1）1.7J1.7J：（2 2）1.764J.1.764J.提示：（1 1）从A A到B B的过程中，对物体应用动能定理得：第26页/共31页（2 2）放开物体后，物体做的是加速度越来越小的加速运动，当弹簧的弹力等于摩擦力时，物体有最大的动能，设此时弹簧的压缩量为x x2 2

22、 弹可利用示功图求出，画出弹簧力随位移变化的图（如图8 8所示），F F1 1=kx=kx1 1弹簧做功的值等于OAB OAB 的面积,即 第27页/共31页物体的位移：在这一过程中弹力的功在数值上等于图8 8中梯形OADC OADC 的面积，即所以物体的最大动能为第28页/共31页用F F缓慢地拉；F F为恒力；若F F为恒力，而且拉到该位置时小球的速度刚好为零。可供选择的答案有A.B.C.D.LmF解：若用F F缓慢地拉，则显然F F为变力，只 能用动能定理求解。F F做的功等于该过程克服重力做的功。选D D 若F F为恒力，则可以直接按定义求功。选B B 若F F为恒力，而且拉到该位置时

23、小球的速度刚好为零，那么按定义直接求功和按动能定理求功都是正确的。选B B、D D例6.6.如图所示，质量为m m的小球用长L L的细线悬挂而静止在竖直位置。在下列三种情况下，分别用水平拉力F F将小球拉到细线与竖直方向成角的位置。在此过程中，拉力F F做的功各是多少？第29页/共31页在第三种情况下，=注意：一对作用力和反作用力做功的特点注意：一对作用力和反作用力做功的特点 一对作用力和反作用力在同一段时间内做的总功可能为一对作用力和反作用力在同一段时间内做的总功可能为正、可能为负、也可能为零。正、可能为负、也可能为零。一对互为作用反作用的摩擦力做的总功可能为零（静摩一对互为作用反作用的摩擦力做的总功可能为零（静摩擦力）、可能为负（滑动摩擦力），但不可能为正。擦力）、可能为负（滑动摩擦力），但不可能为正。可见在摆角为 时小球的速度最大。实际上，因为F F与mgmg的合力也是恒力，而绳的拉力始终不做功，所以其效果相当于一个摆，我们可以把这样的装置叫做“歪摆”。第30页/共31页感谢您的观看。第31页/共31页