难点3变力做功与能量转化

1、难点 3 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 ,亦是考生应考的难点 .难点磁场1.一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 3-1 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

2、 ,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 v B .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 3-2 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 cm 2,质量不计 .大气压强 p 0=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/s 2案例探究例 1用铁锤将一铁钉击入木块,设木

3、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命题意图 :考查对功概念的理解能力及理论联系实际抽象建立模型的能力.B 级要求 .错解分析 :(1 不能据阻力与深度成正比这一特点 ,将变力求功转化为求平均阻力的功 ,进行等效替代 .(2 不能类比迁移 ,采用类似据匀变速直线速度 -时间图象求位移的方式 ,根据 F -x 图象求功 .解题方法与技巧 :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 .

4、如图 3-3,第一次击入深度为x 1,平均阻力 1F =21kx 1,做功为 W 1=1F x 1=21kx 12. 第二次击入深度为x 1 到 x 2,平均阻力 2F =21k (x 2+x 1,位移为 x 2-x 1,做功为 W 2=2F (x 2-x 1= 21k (x 22-x 12. 两次做功相等 :W 1=W 2.解后有 :x 2=2x 1=1.41 cm,x =x 2-x 1=0.41 cm.解法二 :(图象法图3-1 图3-2 图 3-3 图 3-4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 (图3-4.曲线上面积的值等于

5、 F 对铁钉做的功 .由于两次做功相等 ,故有 :S 1=S 2(面积 ,即 :21 kx 12=21k (x 2+x 1(x 2-x 1, 所以x =x 2-x 1=0.41 cm例 2如图 3-5 所示 ,置于水平面的平行金属导轨不光滑 ,导轨一端连接电阻 R , 其他电阻不计 ,垂直于导轨平面有一匀强磁场 ,磁感应强度为 B ,当一质量为 m 的金属棒 ab 在水平恒力 F 作用下由静止向右滑动时A.外力 F 对 ab 棒做的功等于电路中产生的电能B.只有在棒 ab 做匀速运动时 ,外力 F 做的功才等于电路中产生的电能C.无论棒 ab 做何运动 ,它克服安培力做的功一定等于电路中产生的

6、电能D.棒 ab 匀速运动的速度越大 ,机械能转化为电能的效率越高 命题意图 :考查考生理解能力、分析综合及推理能力 .B 级要求 .错解分析 :对整个物理情景理解不透 ,对整个物理过程中能量的转化及传递途径理解不透 .解题方法与技巧 :(能量守恒法在导体棒的运动过程中外力做的功,用来克服由于发生电磁感应而产生的感应电流的安培力的那一部分转化为电能,又因为有摩擦 ,还需克服摩擦力做功 ,转化成内能 .所以 A 、B 错,C 对 ;又当匀速运动时 ,由能量转化的观点 ,可知 =FRl B Fv R Blv P P 222(=机电 v ,B 、 l 、 F 、R 一定 ,所以 v ,即 v 越大

7、越大 ,D 对 . 故 CD 正确 .锦囊妙计变力做功的求解方法对于变力做功一般不能依定义式 W =Fs cos 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=F s cos 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 3-6,那么图线下方所围成的面积,即为变力做的功 .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 =Fs cos 求变力 F 做功的值 .此时 ,我们可

8、由其做功的结果 动能的变化来求变力 F 的功 :W = E k .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 .歼灭难点训练1.一辆汽车在平直公路上从速度v 0 开始加速行驶 ,经时间 t 后 ,前进了距离 s ,此时恰好达到其最大速图3-5图 3-6度 v max ,设此过程中发动机始终以额定功率P 工作 ,汽车所受阻力恒为F ,则在这段时间里 ,发动机所做的功为A.FsB.PtC.21 mv 2max +Fs -21mv 02D.F ·20max v

9、v + t ·2.如图 3-7 所示 ,质量为 m 的物体被细绳牵引着在光滑水平面上做匀速圆周运动 ,O 为一光滑孔 ,当拉力为 F 时 ,转动半径为 R ;当拉力为 8F 时,物体仍做匀速圆周运动 ,其转动半径为2R ,在此过程中 ,外力对物体做的功为A.7FR /2B.7FR /4C.3FR /2D.4FR图 37 图 383.一质量为 m 的小球 ,用长为 L 的轻绳悬挂于 O 点,小球在水平力 F 作用下 ,从平衡位置 P 点很缓慢地移到 Q 点.如图 3-8 所示 ,此时悬线与竖直方向夹角为 ,则拉力 F 所做的功为A.mgL cosB.mgL (1-cos C.FL si

10、nD.FL4.挂在竖直墙上的画长1.8 m,画面质量为 100 g,下面画轴质量为 200 g,今将它沿墙缓慢卷起 ,g =10 m/s 2.需做 _ J的功 .5.用大小不变、方向始终与物体运动方向一致的力F ,将质量为 m 的小物体沿半径为 R 的固定圆弧轨道从 A 点推到 B 点 ,圆弧对应的圆心角为 60°,如图 3-9 所示 ,则在此过程 ,力 F 对物体做的功为 _.若将推力改为水平恒力 F ,则此过程力 F 对物体做的功为 _.6.一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 3-10 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 =1.00 ×103 kg/m大3,气压 p 0=1.00 ×105 Pa.求活塞上