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專题目六功和能变力做功与能量转化
专题六:功和能.变力做功与能量转化
功是中学物理中的重要概念,它体现了力对物体的作用在空间上的累积过程.在考纲中属B级.对功尤其是变力做功是近年考查热点,亦是考生备考的难点.
★课前一练
1.(1999年全国)一物体静止在升降机的地板上,在升降机加速上升的过程中,地板对物体的支持力所做的功等于
A.物体势能的增加量
B.物体动能的增加量
C.物体动能的增加量加上物体势能的增加量
D.物体动能的增加量加上克服重力所做的功
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4-1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?
3.如图4-2所示,若在湖水里固定一细长圆管,管内有一活塞,它的下端位于水面上,活塞的底面积S=1 cm2,质量不计.大气压强p0=1.0×105 Pa.现把活塞缓慢地提高H=15 m,则拉力对活塞做的功为_______ J.(g=10 m/s2)
摩擦力做功的特点
摩擦力大小和方向的不确定性,使得摩擦力做功有其自身的特殊性。
一. 静摩擦力对物体可以做正功,可以做负功,也可以不做功;滑动摩擦力对物体可以做正功,可以做负功,也可以不做功。
例1. 如图1所示,物体在水平拉力下静止在粗糙水平面上,物体与桌面间有静摩擦力,该摩擦力不做功。
图1
如图2所示,光滑水平面上物体A、B在外力F作用下能保持相对静止地匀加速运动,则在此过程中,A对B的静摩擦力对B做正功。
图2
如图3所示,物体A、B以初速度滑上粗糙的水平面,能保持相对静止地减速运动,则在此过程中A对B的静摩擦力对B做负功。
图3
例2. 在光滑的水平地面上有质量为M的长平板A(如图4),平板上放一质量的物体B,A、B之间动摩擦因数为。今在物体B上加一水平恒力F,B和A发生相对滑动,经过时间,求:(1)摩擦力对A所做的功;(2)摩擦力对B所做的功;(3)若长木板A固定时B对A的摩擦力对A做的功。
图4
解析
(1)平板A在滑动摩擦力的作用下,向右做匀加速直线运动,经过时间,A的位移为
因为摩擦力的方向和位移相同,即对A做正功,其大小为
。
(2)物体B在水平恒力F和摩擦力的合力作用下向右做匀加速直线运动,B的位移为
摩擦力方向和位移方向相反,所以对B做负功为
。
(3)若长木板A固定,则A的位移,所以摩擦力对A做功为0,即对A不做功。
二. 一对相互作用的静摩擦力做功的代数和必为零,即
对相互有静摩擦力作用的两物体A和B来说,A对B的摩擦力和B对A的摩擦力是一对作用力和反作用力:大小相等,方向相反。由于两物体相对静止,其对地位移必相同,所以这一对静摩擦力一个做正功,一个做负功,且大小相等,其代数和必为零, 即
三. 滑动摩擦力做功与路程有关,其值等于滑动摩擦力的大小和物体沿接触面滑动的路程的乘积,即
例3. 滑雪者从山坡上A点由静止出发自由下滑,设动摩擦因数为常数,他滑到B点时恰好停止,此时水平位移为(如图5所示)。求 A、B两点间的高度差。
图5
解析:设滑雪者质量为,取一足够小的水平位移,对应的滑行路线可视为小直线段,该处滑雪者所受的摩擦力为
所以在段摩擦力所做的功为
对滑行路线求和可得摩擦力的总功
从A到B的过程中,重力做功,而动能的变化为,所以由动能定理得,即,可解得A、B两点间的高度差为。
四. 一对滑动摩擦力做功的代数和必不为零,且等于滑动摩擦力的大小与两物体间相对位移的乘积,即
例4. 如图6,一质量为M的木板,静止在光滑水平面上,一质量为的木块以水平速度滑上木板。由于木块和木板间有摩擦力,使得木块在木板上滑动一段距离后就跟木板一起以相同速度运动。试求此过程中摩擦力对两物体做功的代数和。
图6
解析:设木块与木板的共同速度为,以木块和木板整体为研究对象,则由动量守恒定律可得 ①
摩擦力对木板做正功,对木块做负功。由动能定理得
②
③
由①②③可知,摩擦力对两物体做功的代数和为
④
上式即表明:一对滑动摩擦力做功的代数和必不为零,且等于滑动摩擦力的大小与两物体间的相对位移的乘积。
五. 对于与外界无能量交换的孤
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