谈新教材中“功的定义”教学的一点心得

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  功的教学在高中物理教学中占有重要的地位,教材在第一节给出能量的概念后,接着对功进行研究和讨论.教材通过创设情景、设疑激趣,引导学生先分析力与位移同向的例子,而后探究力与位移有夹角时功的求解.最后给出功的定义:力F对物体所做的功等于力的大小、位移的大小、力和位移夹角的余弦这三者的乘积.即: W=Flcosα.
   笔者在备课与教学过程中发现,利用这个定义可以处理一些常规的力做功问题,但遇到一些特殊情形时却不能解决.严格地说,功的定义应为:一个力所做的功等于力、力的作用点的位移、力与位移的夹角的余弦三者的乘积.下面分两点并举例给与说明.
   一、作用点的更换不是发生了位移
   例1 人沿一直立于地面的旗杆顶端匀速滑下,一对作用力与反作用力的滑动摩擦力做功情况是( )
   (A) 人对杆的摩擦力做负功,杆对人的摩擦力做正功
   (B) 人对杆的摩擦力做正功,杆对人的摩擦力做负功
   (C) 人对杆的摩擦力不做功,杆对人的摩擦力做负功
   (D) 一个做正功,一个做负功,且代数和为零
  
   点评:学生若根据教材的定义,很难理解两个滑动摩擦力一个做负功,一个却不做功的正确结论.实际上,杆对人的摩擦力方向向上,杆对人的摩擦力的作用点不变,发生向下的位移,所以做了负功.人对杆的摩擦力方向向下,但人对杆的摩擦力的作用点是在不断地更换,而不是发生了位移.因此人对杆的摩擦力是不做功的.答案(C).
   此外,关于滑动摩擦力做功的例子有很多,而不做功的例子,教材和教辅书上却很少见到.若突出做功的“三要素”中的位移是“作用点的位移”就不难找了.
   二、物体的位移与作用点的位移不能等同
   例2 如图1所示,用一与水平方向成θ角的恒力F,通过动滑轮将物体沿水平方向拉动距离为x,求恒力F所做的功?
   此题的常见的解法有以下三种:
  
  
  图1图2解法1:如图2所示:先设滑轮两边的绳上的力分别为F1、F2,因同一根绳上的张力相等,则F1=F2=F,再求绳对物体的合力F合,则F合=2Fcosα,利用公式得: W=F合xcosα=2Fcos2α.
   因α=θ2,得2cos2α=1+cosθ.
   因此,W=2Fx cos2α=Fx(1+cosθ).
  
  
  图3解法2:如图3,先设滑轮两边的绳上的力分别为F1、F2,因同一根绳上的张力相等则F1=F2=F,设两力做功分别为W1和W2,由定义得:W1=F1x=Fx.W2=F2xcosθ=Fxcosθ,再求得总功:
   W=W1+W2=Fx(1+cosθ)
   解法3:如图4,设力F的作用点A发生的位移为1,则W=Flcosα.又由几何关系:
  
  图4lcosα=x+xcosθ.所以得W=Fx(1+cosθ).
   点评:虽然上述三种解法的结果都是相同的,但实际上解法一和解法二都是错解.原因有以下三点:
   1.题目中要求的是力F的功,而不是求绳对物体所做的功,不符合题意.
   2.绳对物体的合力F合≠2Fcosα,因为本题并没有交代滑轮是理想的滑轮,滑轮两边的绳上的张力并不相等.
   3.x是物体的位移,并不是力F的作用点发生的位移,两者不能等同.
   综上分析可知,只有解法三才是正确的解法.
  
  
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