高一物理-功和功率-典型例题精析

功和功率 典型例题精析例题1 用力将重物竖直提起，先是从静止开始匀加速上升，紧接着匀速上升，如果前后两过程的时间相似，不计空气阻力，则 A加速过程中拉力的功一定比匀速过程中拉力的功大B匀速过程中拉力的功比加速过程中拉力的功大C两过程中拉力的功同样大D上述三种状况均有也许思路点拨 因重物在竖直方向上仅受两个力作用：重力mg、拉力F这两个力的互相关系决定了物体在竖直方向上的运动状态设匀加速提高重物时拉力为F1，重物加速度为a，由牛顿第二定律F1mg=ma，匀速提高重物时，设拉力为F2，由平衡条件有F2=mg，匀速直线运动的位移S2=vt=at2拉力F2所做的功W2=F2S2=mgat2解题过程 比较上述两种状况下拉力F1、F2分别对物体做功的体现式，不难发现：一切取决于加速度a与重力加速度的关系因此选项A、B、C的结论均也许浮现故答案应选D小结 由恒力功的定义式W=FScos可知：恒力对物体做功的多少，只取决于力、位移、力和位移间夹角的大小，而跟物体的运动状态(加速、匀速、减速)无关在一定的条件下，物体做匀加速运动时力对物体所做的功，可以不小于、等于或不不小于物体做匀速直线运动时该力做的功例题2 质量为M、长为L的长木板，放置在光滑的水平面上，长木板最右端放置一质量为m的小物块，如图81所示目前长木板右端加一水平恒力F，使长木板从小物块底下抽出，小物块与长木板摩擦因数为，求把长木板抽出来所做的功思路点拨 此题为有关联的两物体存在相对运动，进而求功的问题小物块与长木板是靠一对滑动摩擦力联系在一起的分别隔离选用研究对象，均选地面为参照系，应用牛顿第二定律及运动学知识，求出木板对地的位移，再根据恒力功的定义式求恒力F的功解题过程 由F=ma得m与M的各自对地的加速度分别为设抽出木板所用的时间为t，则m与M在时间t内的位移分别为因此把长木板从小物块底下抽出来所做的功为小结 解决此类问题的核心在于进一步分析的基本上，头脑中建立一幅清晰的动态的物理图景，为此要认真画好草图(如图82)在木板与木块发生相对运动的过程中，作用于木块上的滑动摩擦力f为动力，作用于木板上的滑动摩擦力f为阻力，由于相对运动导致木板的位移恰等于物块在木板左端离开木板时的位移Sm与木板长度L之和，而它们各自的匀加速运动均在相似时间t内完毕，再根据恒力功的定义式求出最后成果例题3 如图83所示，用恒力F通过光滑的定滑轮，将静止于水平面上的物体从位置A拉到位置B，物体可视为质点，定滑轮距水平面高为h，物体在位置A、B时，细绳与水平面的夹角分别为和，求绳的拉力F对物体做的功思路点拨 从题设的条件看，作用于物体上的绳的拉力T，大小与外力F相等，但物体从A运动至B的过程中，拉力T的方向与水平面的夹角由变为，显然拉力T为变力此时恒力功定义式W=FScos就不合用了如何化求变力功转而求恒力功就成为解题的核心由于绳拉物体的变力T对物体所做的功与恒力F拉绳做的功相等，根据力对空间积累效应的等效替代便可求出绳的拉力对物体做的功解题过程 设物体在位置A时，滑轮左侧绳长为l1，当物体被绳拉至位置B时，绳长变为l2，因此物体由A到B，绳长的变化量又因T=F，则绳的拉力T对物体做的功小结 如何由求变力功转化为求恒力功，即实现由变到不变的转化，本题采用了等效法，即将恒定拉力F作用点的位移与拉力F的乘积替代绳的拉力对物体做功这种解题的思路和措施应予以高度注重例题4 汽车发动机的功率为60 kW，汽车的质量为4 t，当它行驶在坡度为0.02的长直公路上时，如图84，所受阻力为车重的0.1倍(g10 m/s2)，求：(1)汽车所能达到的最大速度vm=？(2)若汽车从静止开始以0.6 m/s2的加速度做匀加速直线运动，则此过程能维持多长时间？(3)当汽车匀加速行驶的速度达到最大值时，汽车做功多少？(4)在10 s末汽车的即时功率为多大？思路点拨 由P=Fv可知，汽车在额定功率下行驶，牵引力与速度成反比当汽车的牵引力与阻力(涉及爬坡时克服下滑力)相等时，速度达最大只有当汽车牵引力不变时，汽车才干匀加速行驶，当Fv=P额时，匀加速运动即告结束，可由W=FS求出这一阶段汽车做的功当10 s末时，若汽车仍在匀加速运动，即可由Pt=Fvt求发动机的即时功率解题过程 (1)汽车在坡路上行驶，所受阻力由两部分构成，即fKmgmgsin=4000800=4800 N又由于Ff时，P=fvm，因此(2)汽车从静止开始，以a=0.6 m/s2，匀加速行驶，由Fma，有Ffmgsinma因此FmaKmgmgsin41030.648007.2103 N保持这一牵引力，汽车可达到匀加速行驶的最大速度vm，有由运动学规律可以求出匀加速行驶的时间与位移(3)由W=FS可求出汽车在匀加速阶段行驶时做功为WFS7.210357.82=4.16105J(4)当t10 s13.9 s，阐明汽车在10 s末时仍做匀加速行驶，则汽车的即时功率PtFvtFat7.21030.61043.2 kW小结 本题为功和功率概念应用于汽车运动过程中的综合题注意汽车匀加速行驶的特性：牵引力为恒力，发动机输出功率与即时功率逐渐呈线性增大当输出功率达到额定功率可作为匀加速运动结束的判以vm收尾匀速行驶