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对于恒力做功,有公式W=Fxcosα,对应的有恒力做功的功率公式P=Fvcosα。在求解恒力做功问题时,通过对应的运动分解,即可以利用上述公式进行求解。但在面对变力做功等复杂的曲线运动时,套用公式的方法必然行不通,则需要从功能关系、动能定理等角度出发,寻找解题突破口。
一、恒力做功计算
例1如图1所示,质量为m的小球用长L的细线悬挂而静止在竖直位置,若F为恒力,通过水平拉力F将小球拉到细线与竖直方向成θ角的位置,拉到该位置小球速度恰好为零,试问此过程拉力F做功多少?
解析:由于拉力F属于恒力做功,故可以直接套用恒力做功公式,即是W=Fxcosα,得到W=FLsinθ。若是从能量守恒的角度出发,拉力所做的功全部转化为克服重力所做的功,即是W拉+W重=0,带入表达式有W拉-mgL(1-cosθ)=0,同样也可以得到。
点拨:在使用恒力做功求解曲线运动的功和功率时,尤其是在恒力做功公式的使用上,必须分清对应的运动方向及作用力和作用方向。同时,应根据题中给出的受力状态描述进行探究,分清恒力、变力,灵活使用恒力做功原理。最后得出拉力做功W=mgL(1-cosθ)。
二、功與功率的转换计算
例2某喷泉装置截面如图2,
喷嘴与进水管中心的距离为r、离水面的高度为h,其在水池面上的落点与进水管中心的距离为R。已知,水泵的功率恒定为P,水的密度为ρ,忽略水泵到水面的距离,忽略水在水管及空气中的机械能损失。试求:(1)水从喷嘴喷出的速度;(2)在水从喷嘴喷出到落入水池面内的时间内,水泵对水做的功和总的输水量;(3)每个喷嘴的横截面积。
点拨:功与功率的转化往往出现在综合性的运动过程中,在高中阶段常常是平抛运动、匀速运动及加速运动的综合考查。对于此类题型,需要分清各个运动状态所对应的功和功率的转换关系。特别的,在两类运动的转变位置,更需要结合速度、加速度物理量,理清转换关系。
三、恒力功率的最大值计算
例3如图3所示,用长为L的细线悬挂一质量为m的物体,将其拉直到水平位置,然后放手使物体从静止向下摆动。问:在物体向最低点摆动的过程中,重力对物体做功的功率如何变化?
点拨:重力做功属于恒力做功,则功率大小只与物体的运动速度有关。此时,本题的研究对象就变成了物体下落过程的速度变化。通过运动分解和平衡原理,可以得到运动过程的速度变化,即可分析出对应的重力做功及功率变化。得出速度先增大后减少,功率变化同速度变化。
总结:当物体在做曲线运动时,为了达到简化计算的目的,我们不妨将其运动过程进行分解,通常按照水平及竖直、沿运动方向及垂直于运动方向等。对应的,将功与功率的公式W=Fxcosα,P=Fvcosα转化为W=Fxα与P=Fvα。在实际计算分析过程中,将外力或外位移转化为沿外力F方向上的位移与速度,达到分解计算与简化求解的目的。
作者单位:江苏省江安高级中学
一、恒力做功计算
例1如图1所示,质量为m的小球用长L的细线悬挂而静止在竖直位置,若F为恒力,通过水平拉力F将小球拉到细线与竖直方向成θ角的位置,拉到该位置小球速度恰好为零,试问此过程拉力F做功多少?
解析:由于拉力F属于恒力做功,故可以直接套用恒力做功公式,即是W=Fxcosα,得到W=FLsinθ。若是从能量守恒的角度出发,拉力所做的功全部转化为克服重力所做的功,即是W拉+W重=0,带入表达式有W拉-mgL(1-cosθ)=0,同样也可以得到。
点拨:在使用恒力做功求解曲线运动的功和功率时,尤其是在恒力做功公式的使用上,必须分清对应的运动方向及作用力和作用方向。同时,应根据题中给出的受力状态描述进行探究,分清恒力、变力,灵活使用恒力做功原理。最后得出拉力做功W=mgL(1-cosθ)。
二、功與功率的转换计算
例2某喷泉装置截面如图2,
喷嘴与进水管中心的距离为r、离水面的高度为h,其在水池面上的落点与进水管中心的距离为R。已知,水泵的功率恒定为P,水的密度为ρ,忽略水泵到水面的距离,忽略水在水管及空气中的机械能损失。试求:(1)水从喷嘴喷出的速度;(2)在水从喷嘴喷出到落入水池面内的时间内,水泵对水做的功和总的输水量;(3)每个喷嘴的横截面积。
点拨:功与功率的转化往往出现在综合性的运动过程中,在高中阶段常常是平抛运动、匀速运动及加速运动的综合考查。对于此类题型,需要分清各个运动状态所对应的功和功率的转换关系。特别的,在两类运动的转变位置,更需要结合速度、加速度物理量,理清转换关系。
三、恒力功率的最大值计算
例3如图3所示,用长为L的细线悬挂一质量为m的物体,将其拉直到水平位置,然后放手使物体从静止向下摆动。问:在物体向最低点摆动的过程中,重力对物体做功的功率如何变化?
点拨:重力做功属于恒力做功,则功率大小只与物体的运动速度有关。此时,本题的研究对象就变成了物体下落过程的速度变化。通过运动分解和平衡原理,可以得到运动过程的速度变化,即可分析出对应的重力做功及功率变化。得出速度先增大后减少,功率变化同速度变化。
总结:当物体在做曲线运动时,为了达到简化计算的目的,我们不妨将其运动过程进行分解,通常按照水平及竖直、沿运动方向及垂直于运动方向等。对应的,将功与功率的公式W=Fxcosα,P=Fvcosα转化为W=Fxα与P=Fvα。在实际计算分析过程中,将外力或外位移转化为沿外力F方向上的位移与速度,达到分解计算与简化求解的目的。
作者单位:江苏省江安高级中学