谈谈变力做功问题的求解方法_变力做功

  功体现了力对物体的作用在空间上的累积过程。对于变力做功一般不能依定义式W=Fscosθ直接求解,但可依物理规律通过技巧的转化间接求解。   1、平均力法:如果参与做功的变力,其方向不变,而大小随位移线性变化,则可求出平均力等效代入公式W= scosθ求解。
  2、图象法:如果参与做功的变力,方向与位移方向始终一致而大小随时变化,我们可作出该力随位移变化的图象,如图1 ,那么图线下方所围成的面积,即为变力做的功。
  例1.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?(设铁锤每次做功相等)
  解析:解法一:(平均力法)
  铁锤每次做功都用来克服铁钉阻力做的功,但摩擦阻力不是恒力,其大小与深度成正比,F=-f=kx,可用平均阻力来代替。
  如图2所示,第一次击入深度为x1,平均阻力 = kx1,做功为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,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.
  解法二:(图象法)
  因为阻力F=kx,以F为纵坐标,F方向上的位移x为横坐标,作出F-x图象(如图3所示)。曲线上面积的值等于F对铁钉做的功。
  由于两次做功相等,故有:S1=S2(面积),即:kx12= k(x2+x1)(x2-x1),所以Δx=x2-x1=0.41 cm
  3、动能定理法:在某些问题中,由于力F大小或方向的变化,导致无法直接由W=Fscosθ求变力F做功的值。但用动能的变化可间接求变力F的功。
  例2.一辆车通过一根跨过定滑轮的绳PQ提升井中质量为m的物体,如图4所示.绳的P端拴在车后的挂钩上。设绳的总长不变,绳的质量、定滑轮的质量和尺寸、滑轮上的摩擦都忽略不计。开始时,车在A点,左右两侧绳都已绷紧并且是竖直的,左侧绳长为H。提升时,车向左加速运动,沿水平方向从A经过B驶向C。设A到B的距离也为H,车过B点时速度为vB。求车由A移到B的过程中,绳Q端的拉力对物体做的功是多少?
  解析:以物体为研究对象,开始时其动能Ek1=0。随着车的加速运动,重物上升,同时速度也不断增加,当车子运动到B点时,重物获得一定的上升速度vQ,这个速度也就是收绳的速度,它等于车速沿绳子方向的一个分量,如图5所示,则vQ=vB1=vBcos45°= vB,于是重物的动能增为 Ek2 = mvQ2= mvB2,在这个提升过程中,重物受到绳的拉力T、重力mg,物体上升的高度和重力做的功分别为
  h= H-H=( -1)H
  WG=-mgh=-mg( -1)H,于是由动能定理得 WT+WG=ΔEk=Ek2-Ek1,即WT -mg( -1)H= mvB2-0,所以绳子拉力对物体做功WT= mvB2+mg( -1)H。
  4、功能关系法:能是物体做功的本领,功是能量转化的量度。由此,对于大小、方向都随时变化的变力F所做的功,可以通过对物理过程的分析,从能量转化多少的角度来求解。
  例3.一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6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:如图6所示,大气压 能够支承的水柱的高度为: ,从开始提升到活塞至管内外水面高度差为10m的过程中,活塞一直与管内的水接触,设活塞上升高度为 ,管外水面下降的高度为 ,则有: ,由于水的体积不变,则 ,所以 。由于 ,故活塞再上升最后1.5m 的过程中,活塞与水现之间出现真空。
  活塞上升高度 的过程中,由于水对活塞的支持力逐渐减小,所以此过程中,拉力F是变力,变力做功不易求得。对于水和活塞组成的整体,其机械能的增量应等于除重力外其他力所做的功,因为活塞缓慢向上移动,因此动能始终为零,则机械能的增量也等于重力势能的增量,即
  其他力有管内外的大气压力的拉力F。由于液体不可压缩,所以管内、外大气压力做的总功 ,故压力做功就只是拉力F做的功,由功能关系有:
  
  活塞活塞上升最后 =1.5m 的过程中,液面不变,F是恒力, ,做功
  所求拉力F做的总功为
  
  

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