努力和精力

如果你用力推动桌子上的书,直到它移动,你就对书做了功。如果一个物体因为受到重力作用而落到地球表面,那么重力就对物体做了功。反之,如果你使出浑身解数推动一个物体,直到汗流浃背,但物体纹丝不动,那么你并没有对物体做功。在日常生活中,人们可能会说你做了功或者很努力地推动了物体,但根据物理学,你并没有对物体做功,因为物体并没有发生位移。

对物体做功的力可以是恒力(力的大小和方向始终保持不变),也可以是变力(力的大小和方向始终发生变化)。例如,当物体位于地球表面附近时,其所受的引力就是一个大小和方向都恒定的力。当物体在地球表面附近自由落体时,由于作用于物体的引力大小和方向恒定,因此物体的自由落体加速度的大小和方向也保持不变。另一个例子是弹簧的弹力,它的大小和方向虽然保持不变,但作用力却在不断变化。拉伸弹簧时,弹簧长度增加越多,拉伸的力就越大。弹簧所受的力的大小随着弹簧的拉伸而变化。另一个例子是火箭进入太空或返回地球表面。当火箭运动时,作用于火箭的引力大小与火箭到地心的距离的平方成反比。

从数学角度来说,恒力对物体所做的功定义为位移与力的乘积,或者说是力在物体位移方向上的分量的乘积。

非恒力(例如弹簧)所做的功不能用恒力做功的公式来计算。如果弹簧被拉伸,随着拉伸量的增加,拉伸弹簧所需的拉力也会增大。同样,如果弹簧被压缩,弹簧越紧,所需的推力也越大。只要弹簧处于压缩或拉伸状态,其弹力就会从 0 (x = 0) 变化到最大值 (F = kx),因此弹力的计算需要使用平均值。

问题示例

1. 2018年全国统考题

质量为 m 的物块位于光滑的水平面上。如图所示,物块静止于位置 (1),并在时间间隔 t 内受到力 F 的拉动而移动到位置 (2)。

2018年全国高中物理考试讨论 - 21

通过改变质量和力,得到以下数据:

2018年全国高中物理考试讨论 - 22

根据上表,物体从大到小所做的功依次为……

讨论

我们都知道:

初始速度(v₀ ) = 0

问:

Jawab:

工作公式:

W = F s ……….公式 1

GLBB 公式:

s = v o t + 1/2 at 2

s = 1/ 2,2

代入公式 1

W = F ( 1/2 at 2 ) ……….公式 2

力公式:

F = ma

a = F /米

代入公式 2

W = 0,5 F (F/m) t 2

W = 0,5 (F 2 /m) t 2 ……….公式 3

使用公式 3 计算努力量。

1) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (3 2 /12)(4 2 ) = (0,5)(9/12)(16) = (9/12) 8 = 6

2) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (4 2 /16)(3 2 ) = (0,5)(16/16)(9) = (1) 4,5 = 4,5

3) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (5 2 /20)(2 2 ) = (0,5)(25/20)(4) = (1,25) 2 = 2,5

4) W = 0,5 (F 2 /m) t 2 = 0,5 (6 2 /24)(1 2 ) = (0,5)(36/24)(1) = (1,5) 0,5 = 0,75

从大到小,这些物体所做的功分别为 1、2、3、4。

2. SOAL UN SMA/MA 2017

一个质量为 6 kg 的箱子以 8 m/s 的速度在一个粗糙的斜面上滑动,斜面与水平面的倾角为α 。如果箱子受到的摩擦力为 5 N,且 tan α = 3/4,那么要使箱子在斜面底部停止滑动,必须施加多大的力 F 呢?

A. 15 北2017年全国高中物理考试讨论 - 19

B. 25 北

C. 45 北

D. 55 北

东 69,4 北

讨论

已知:

箱子的质量 (m) = 6 kg

重力加速度 (g) = 10 m/ s²

箱子的初始速度 (v₀ ) = 8 m/s

箱子的最终速度(v t )= 0 米/秒(箱子必须在到达斜面底部之前停止)

摩擦力(F<sub>摩擦</sub>)= 5 N

切线角 α = 前边 / 底边 = 3/4

斜边 = 5 米

问: F

回答 :

2017年全国高中物理考试讨论 - 20

机械功-能定理:

非保守力所做的功 = 机械能的变化

非保守力所做的功 = 动能和势能的变化。

存在两种非保守力,即动摩擦力和 F 力。

动摩擦力对箱子所做的功:

W = -(F ges )(s) = -(5)(5) = -25

为负值,因为摩擦力的方向与箱子的运动方向相反。

力 F 所做的功:

W = (F)(s) = (F)(5) = -5F

结果为负,因为力 F 的方向与箱子的运动方向相反。

动能变化:

Δ EK = 1/2 m (v t 2 – v o 2 ) = 1/2 (6)(0 2 – 8 2 ) = (3)(0-64) = (3)(-64) = -192

重力势能的变化:

ΔEP = mgh = (6)(10)(-3) = -180

h 为负值,因为最终位置低于初始位置。

机械功-能定理:

W nc = Δ EM

W ges + W F = Δ EP + Δ EK

-25 – 5F = -180 -192

-25 – 5F = -372

-5F = -372 + 25

-5°F = -347

F = -347 / -5

F = 69,4 牛顿

正确答案是 E。

3. SOAL UN SMA/MA 2017

如图所示,一个质量为 10 kg 的物块从 A 点沿 B 点下滑,最终停在 C 点。物块与粗糙表面之间的动摩擦系数为 0,2,因此物块运动路径 ABC 的长度为……

A. 250厘米2017年全国高中物理考试讨论 - 31

B. 200 厘米

C. 150厘米

直径 100 厘米

E. 80 厘米

讨论

已知:

物块质量 (m) = 10 kg

重力加速度 (g) = 10 m/ s²

物体的重量 (w) = mg = (10 kg)(10 m/s 2 ) = 100 牛顿

斜面高度 (h) = 30 厘米 = 0,3 米

斜面长度 (s) = 50 厘米 = 0,5 米

动摩擦系数(μk )= 0,2

动摩擦力 (f k ) = μ k N = μ k w = (0,2)(100 N) = 20 N

问题:路径ABC的长度

回答 :

考虑物体从AB点出发的运动。

A点的初始机械能 = 重力势能 = mgh = (10)(10)(0,3) = (10)(3) = 30 焦耳

B点的最终机械能 = 动能

机械能守恒定律:

初始机械能 = 最终机械能

30焦耳 = 动能

因此,B点的动能为30焦耳。

考虑物体从 BC 点出发的运动。

功-机械能定理指出,非保守力所做的功等于物体机械能的变化。机械能的变化 = 末机械能 – 初机械能。数学表达式为:

W NC = Δ EM

W NC = EM 2 – EM 1

物体位于平面上,因此重力势能为零。机械能(EM)= 动能(EK)。

初始动能(EK1 )= B点的动能 = 30焦耳

最终动能(EK 2 )= C 点的动能 = 0(滑块停止)。

BC 的非保守力所做的功就是动摩擦力所做的功。

W NC = – f k s = – 20 s

所以

W NC = EK 2 – EK 1

– 20 秒= 0 – 30

– 20 秒 = – 30

20 秒 = 30

s = 30/20 = 3/2 = 1,5 米 = 1,5 x 100 厘米 = 150 厘米。

轨道 ABC 的长度 = 50 厘米 + 150 厘米 = 200 厘米。

正确答案是 B。

4. 2014/2015学年高中/硕士物理全国统考试题第8题

请看下图!一个物块在一个粗糙的斜面上滑动,斜面与水平面的摩擦系数为 0,4。如果g = 10 m/ s²,那么物块到达斜面底部时的速度是多少?

一个2√5毫秒-12015年高中物理考试机械功-能定理 - 1

B. 2√7 ms -1

C. 2√14 ms -1

D. 2√19 ms -1

E. 2√23 ms -1

讨论

看着下图

已知:

初始高度(h <sub>o</sub> )= 6 米

最终高度(h<sub> t</sub> )= 0 米

初始速度(v₀ )= 0 (初始时物体静止)

动摩擦系数(μk )= 0,4(滑块滑动,因此是动摩擦系数,而不是静摩擦系数)

重力加速度 (g) = 10 m /s²

cos θ = 底部/斜角 = 8/10

垂直方向的重力分量 = w y = w cos θ = mg cos θ = m (10) (8/10) = m (10)(4/5) = m (40/5) = 8 m

法向力 = N = w y = 8 m

动摩擦力 = f k = μ k N = μ k w y = (0,4)(8 m) = 3,2 m

问题:末速度(v t )

回答 :

动能定理指出,非保守力对物体所做的功等于物体机械能的变化。动摩擦力就是非保守力的一个例子。

Wnc = ΔEM2015年高中物理考试机械功-能定理 - 2

W nc = Δ EK + Δ EP

信息:

W nc = 非保守力所做的功,Δ EM = 机械能的变化,Δ EK = 动能的变化,Δ EP = 势能的变化。

动能变化:

ΔEK = 1/2 m (vt2 -vo2) = 1/2 m (vt2 – 0) = 1/2 mvt2

势能变化:

ΔEP = mg (h t – h o ) = m (10)(0-6) = m (10)(-6) = – 60 m

动摩擦力所做的功:

Wnc = – f k s = – ( 3,2 米)(10) = – 32 米

因为动摩擦力做负功,所以它是负的,动摩擦力的方向(向上)与物体位移的方向(向下)相反。

计算末速度(v t):

Wnc = ΔEK + ΔEP

– 32 m = 1/2 mv t 2 – 60 m

– 32 米= 米 (1/2 v t 2 – 60)

– 32 = 1/2 v t 2 – 60

– 32 + 60 = 1/2 v t 2

28 = 1/2 v t 2

2 (28) = v t 2

56 = v t 2

v t = √4.14

v t = 2 √14 ms -1

正确答案是C。

5. 2014/2015学年高中/硕士物理全国统考试题第8题

看看旁边的图片!

一个滑块沿粗糙斜面下滑,到达斜面底部时的速度为 10 ms⁻¹ 。如果摩擦力为 2 N,g = 10 ms⁻² ,那么 h 的值是……

A. 10米2015年全国高中物理考试讨论 - 28

B. 8米

C. 6米

D. 4米

东 2 米

讨论

已知:

物块质量 (m) = 1 kg

初始速度(v₀ ) = 0 (初始时物体静止)

末速度(v t)= 10 ms -1

初始高度(h₀ ) = h

最终高度(h<sub> t</sub>)= 0

动摩擦力 (f k ) = 2 N

重力加速度 (g) = 10 m /s²

问:身高(h)

回答 :

动摩擦力所做的功:

Wnc = – f k s = – (2 )(15) = – 30

因为动摩擦力做负功,所以它是负的,动摩擦力的方向(向上)与物体位移的方向(向下)相反。

动能变化:

ΔEK = 1/2 m (vt2 -vo2) = 1/2 (1)(102 – 0) = 1/2 (102) = 1/2 (100)= 50

势能变化:

ΔEP = mg(ht – ho ) = (1)(10)(0-h) = (10)(-h) = -10 h

机械功-能定理的公式:

Wnc = ΔEK + ΔEP

– 30 = 50 – 10 小时

10 小时 = 50 + 30

10 小时 = 80

小时=80/10

h = 8 米

正确答案是 B。

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