变力做功的“四值”求解法 - 中华中学.docVIP

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变力做功的ldquo;四值rdquo;求解法-中华中学变力做功的ldquo;四值rdquo;求解法-中华中学

利用四“值”求解变力做功 南京市中华中学(210006) 王高 功的计算公式只适用于恒力做功,而我们常常遇到的是变力做功的问题。笔者将变力做功问题进行适当的转化,成为变力的恒定值、平均值、有效值做功以及通过量度值求功的问题。 一、恒定值 求变力做功通常是采用微元法,即:将运动过程无限分小,每一小段就可看成是恒力做功,然后把各小段恒力做的功求出来,再求出代数和,即为变力所做的功。实质就是将变力转化为恒力。 例1 将质量为m的物体由离地心2R处移到地面,R为地球半径,已知地球质量为M,万有引力恒量为G,求在此过程中万有引力对物体做的功。 解析 此过程中万有引力大小不断改变,是变力做功,因此我们把此过程分成无限多个小段,如图1所示,各分点离地心的距离分别为r1、r2、…、rn等。则在第k到第k+1个分点间万有引力对物体做的功为 整个过程中万有引力做的功为 图1 若某一变力做的功和某一恒力做的功相等,则可以通过计算该恒力做的功,使问题变得简单易解。 例2 人在A点拉着绳通过光滑的定滑轮,吊起质量m=50kg的物体,如图所示,开始绳与水平方向的夹角为,当人匀速地提起物体由A点沿水平方向运动而到达B点,此时绳与水平方向成角,求人对绳的拉力所做的功。 h,则A走到B的过程中,物体G上升的高度等于滑轮右侧的绳子增加的长度,即 人对绳子做的功为,代入数据可得: 二、平均值 如果做功的力是变力,其方向不变,而大小随位移线性变化,则可用力的平均值等效代入功的公式,即用W=scosθ求解. 例3 用铁锤将一铁钉击入木块,设木块对铁钉的阻力与铁钉进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1 cm.,问击第二次时,能击入多少深度?(设铁锤每次打击做的功相等) 解析:铁锤每次做功都用来克服铁钉阻力做功,但阻力不是恒力,其大小与深度成正比, F=-f=kx,可用平均阻力来代替。 如图3,第一次击入深度为x1,平均阻力=kx1,铁锤做功为 图3 W1=x1=kx12. 第二次击入深度为x1到x2,平均阻力=k(x2+x1),位移为x2-x1,铁锤做功为 W2=(x2-x1)= k(x22-x12). 两次做功相等:W1=W2. 解后有:x2=x1=1.41 cm, Δx=x2-x1=0.41 cm. 三、量度值 功是能量转化的量度。由此,对于大小、方向随时间变化的变力F所做的功,可以通过对物理过程的分析,由其做功的结果——动能的变化量求出,即:W=ΔEk。也可根据功能原理W=△E,从能量转化多少的角度来求解. 例4 如图所示,在水平放置的光滑板中心开一个小孔O,穿过一细绳,绳的一端系住一个小球,另一端用力F拉着使小球在平板上做半径为r的匀速圆周运动,在运动过程,逐渐增大拉力,当拉力增大为8F时,球的运动半径减为,求在此过程中拉力所做的功。 由题设条件,绳的拉力提供小球做匀速圆周运动所需要的向心力, 有, 图4 根据动能定理,拉力所做的功   例5 (2001年全国高考题)一个圆柱形的竖直的井里存有一定量的水,井的侧面和底部是密闭的.在井中固定插着一根两端开口的薄壁圆管,管和井共轴,管下端未触及井底.在圆管内有一不漏气的活塞,它可沿圆管上下滑动.开始时,管内外水面相齐,且活塞恰好接触水面,如图5所示.现用卷扬机通过绳子对活塞施加一个向上的力F,使活塞缓慢向上移动.已知管筒半径r=0.100 m,井的半径R=2r,水的密度ρ=1.00×103kg/m3,大气压p0=1.00×105 Pa.求活塞上升H=9.00 m的过程中拉力F所做的功.(井和管在水面以上及水面以下的部分都足够长。不计活塞质量,不计摩擦,重力加速度g取10 m/s2) 解析:从开始提升至管内外水面高度差为h0=10m这一过程中拉力逐渐变大,是变力,要用功能关系求解。以后活塞与水面之间出现真空,拉力F=p0πr

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