功是中学物理中一个重要概念,功能关系是解决力学问题的重要途径之一。因此,正确理解功的内涵和外延,正确把握求功的方法是解决力学问题的基础。本文用实例就求功的方法展开讨论,供大家参考。
1、公式法
2、微元法
当物体在变力的作用下作曲线运动时,若力的方向与物体运动的切线方向之间的夹角不变,且力与位移的方向同步变化,可用微元法将曲线分成无限个小元段,每一小元段可认为恒力做功,总功即为各个小元段力做功的代数和。
3、功率法
功跟完成这些功所需时间的比值,叫做功率。表达式P=W/t。对于一段时间内外力的功,有时可以直接利用W=Pt求出功,这里的P应该是恒定的功率,或者是平均功率。
例3:质量为m的机车以恒定的功率由静止出发沿直线运动,在t时间通过位移为s,速度达到最大vm,假设机车所受的阻力恒定。求机车在这段时间内所做的功_________。
解析:因机车的功率恒定,当机车从静止开始达到最大速度的过程中,牵引力不断减小,当速度达到最大时,机车所受的牵引力最小,与阻力相等。在这段时间内机车所受的阻力恒定,牵引力是变力,因此机车做功不能直接用功的定义式求解,但可用W =Pt计算。由动能定理:
3、能量法
功是能量转化的量度,已知外力做功情况可计算能量的转化,同样根据能量的转化也可求外力所做功的多少。因此根据动能定理、机械能守恒定律、功能关系等可从能量改变的角度求功。
根据力做功后引起物体能量的变化计算功。功是能量变化的量度,外力对物体做功,不但会引起机械能的变化,也会引起其他形式能量的变化,因此可以通过计算物体能量的变化来求合力或某个力的功。这里,经常用到动能定理。合外力对物体所做的功等于物体动能的增量,这就是动能定理。由于在应用动能定理时不必追究物体运动全过程中各个变化的细节,只需要考虑初、末状态,为求解变力做功提供了简化处理的方法。
例4:质量为M的平板车静止光滑水平面上,有一质量为m的人静止在平板车上,若人以对地的速度v水平跳出,则人水平跳出过程中做的功为多少?
解析:人从静止到跳出的这个极短的时间里,是一个变化的力在做功,直接利用定义式求解比较困难。系统开始是静止的,但在人水平跳出后,人和平板车的动能发生了改变,系统获得的机械能就是人所做的功W,即: