功和功率基础知识
更新时间:2023-07-20 05:37:01 阅读量: 实用文档 文档下载
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功和功率
一、功
1.功
【例1】 如图所示,质量为m的小球用长L的细线悬挂而静止在竖直位置。在下列三种情况下,分别用水平拉力F将小球拉到细线与竖直方向成θ角的位置。在此过程中,拉力F做的功各是多少?
⑴用F缓慢地拉;
⑵F为恒力;
⑶若F为恒力,而且拉到该位置时小球的速度刚好为零。
可供选择的答案有 1 cos A.FLcos B.FLsin C.FL 1 cos D.mgL
解析:⑴若用F缓慢地拉,则显然F为变力,只能用动能定理求解。F做的功等于该过程克服重力做的功。选D
⑵若F为恒力,则可以直接按定义求功。选B
⑶若F为恒力,而且拉到该位置时小球的速度刚好为零,那么按定义直接求功和按动能定理求功都是正确的。选B、D
1 cos ,可以得到F 1 cos tan ,可见在摆在第三种情况下,由FLsin =mgL
mgsin 2
角为
2时小球的速度最大。实际上,因为F与mg的合力也是恒力,而绳的拉力始终不做功,所以其效果相当于一个摆,我们可以把这样的装置叫做“歪摆”。
【例2】如图所示,线拴小球在光滑水平面上做匀速圆周运动,圆的半径是1m,球的质量是0.1kg,线速度v=1m/s,小球由A点运动到B点恰好是半个圆周。那么在这段运动中线的拉力做的功是( )
A.0 B.0.1J C.0.314J D.无法确定
解析:小球做匀速圆周运动,线的拉力为小球做圆周运动的向心力,由于它总是与运动方向垂直,所以,这个力不做功。故A是正确的。
【例3】下面列举的哪几种情况下所做的功是零( )
A.卫星做匀速圆周运动,地球引力对卫星做的功
B.平抛运动中,重力对物体做的功
C.举重运动员,扛着杠铃在头上的上方停留10s,运动员对杠铃做的功
D.木块在粗糙水平面上滑动,支持力对木块做的功
解析:引力作为卫星做圆周运动的向心力,向心力与卫星运动速度方向垂直,所以,这个力不做功。杠铃在此时间内位移为零。支持力与位移方向垂直,所以,支持力不做功。故A、
C、D是正确的。
【例4】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。如果前后两过程的运动时间相同,不计空气阻力,则( )
A.加速过程中拉力做的功比匀速过程中拉力做的功大
B.匀速过程中拉力做的功比加速过程中拉力做的功大
C.两过程中拉力做的功一样大
D.上述三种情况都有可能
解析:应先分别求出两过程中拉力做的功,再进行比较。重物在竖直方向上仅受两个力作用,重力mg、拉力F。
比较①、②式知:当a>g时,W1 W2;当a=g时,W1 W2;当a<g时,W1 W2 故D选项正确。
2.功的物理含义
【例5】质量为m的物体,受水平力F的作用,在粗糙的水平面上运动,下列说法中正确的是( )
A.如果物体做加速直线运动,F一定做正功
B.如果物体做减速直线运动,F一定做负功
C.如果物体做减速直线运动,F可能做正功
D.如果物体做匀速直线运动,F一定做正功
解析:物体在粗糙水平面上运动,它必将受到滑动摩擦力,其方向和物体相对水平面的运动方向相反。当物体做加速运动时,其力F方向必与物体运动方向夹锐角(含方向相同),这样才能使加速度方向与物体运动的方向相同。此时,力F与物体位移的方向夹锐角,所以,力F对物体做正功, A对。当物体做减速运动时,力F的方向可以与物体的运动方向夹锐角也可以夹钝角(含方向相反),只要物体所受合力与物体运动方向相反即可,可见,物体做减速运动时,力F可能对物体做正功,也可能对物体做负功, B错,C对。当物体做匀速运动时,力F的方向必与滑动摩擦力的方向相反,即与物体位移方向相同,所以,力F做正功,D对。故A、C、D是正确的。
【例6】如图所示,均匀长直木板长L=40cm,放在水平桌面上,它的右端与桌边相齐,木板质量m=2kg,与桌面间的摩擦因数μ=0.2,今用水平推力F将其推下桌子,则水平推力至少做功为( )(g取10/s2)
A.0.8J B.1.6J C.8J D.4J
解析:将木板推下桌子即木块的重心要通过桌子边缘,水平推力做的功至少等于克服滑动摩擦力做的功,W Fs mg
二、功率
功率是描述做功快慢的物理量。
L0.4 0.2 20 0.8J。故A是正确的。 22
⑴功率的定义式:P W,所求出的功率是时间t内的平均功率。 t
⑵功率的计算式:P=Fvcosθ,其中θ是力与速度间的夹角。该公式有两种用法:①求某一时刻的瞬时功率。这时F是该时刻的作用力大小,v取瞬时值,对应的P为F在该时刻的瞬时功率;②当v为某段位移(时间)内的平均速度时,则要求这段位移(时间)内F必须为恒力,对应的P为F在该段时间内的平均功率。
⑶重力的功率可表示为PG=mgvy,即重力的瞬时功率等于重力和物体在该时刻的竖直分速度之积。
⑷汽车的两种加速问题。当汽车从静止开始沿水平面加速
运动时,有两种不同的加速过程,但分析时采用的基本公式都
是P=Fv和F-f = ma v a ①恒定功率的加速。由公式P=Fv和F-f=ma知,由于P恒定,随着v的增大,F必将减小,a也必将减小,汽车做加速度不断减小的加速运动,直到F=f,a=0,这时v达到最大值
PP可见恒定功率的加速一定不是匀加速。这种加速过程发动机做的功只能用W=Ptvm m m。Ff
计算,不能用W=Fs计算(因为F为变力)。
②恒定牵引力的加速。由公式P=Fv和F-f=ma知,由于F恒定,所以a恒定,汽车做匀加速运动,而随着v的增大,P也将不断增大,直到P达到额定功率Pm,功率不能再增大了。PP这时匀加速运动结束,其最大速度为vm m m vm,此后汽车要想继续加速就只能做Ff
恒定功率的变加速运动了。可见恒定牵引力的加速时功率一定不恒定。这种加速过程发动机做的功只能用W=F s计算,不能用W=P t计算(因为P为变功率)。
要注意两种加速运动过程的最大速度的区别。
【例8】 质量为2t的农用汽车,发动机额定功率为30kW,汽车在水平路面行驶时能达到的最大时速为54km/h。若汽车以额定功率从静止开始加速,当其速度达到v=36km/h时的瞬时加速度是多大?
解析:汽车在水平路面行驶达到最大速度时牵引力F等于阻力f,即Pm=f vm,而速度为v时的牵引力F=Pm/v,再利用F-f=ma,可以求得这时的a=0.50m/s2
【例9】卡车在平直公路上从静止开始加速行驶,经时间t前进距离s,速度达到最大值vm。设此过程中发动机功率恒为P,卡车所受阻力为f,则这段时间内,发动机所做的功为( )
A.Pt B.fs C.Pt=fs D.fvmt
解析:发动机所做的功是指牵引力的功。由于卡车以恒定功率运动,所以发动机所做的功应等于发动机的功率乘以卡车行驶的时间,∴A对。B项给出的是卡车克服阻力做的功,在这段时间内,牵引力的功除了克服阻力做功外还要增加卡车的功能,∴B错。C项给出的是卡车所受外力的总功。D项中,卡车以恒功率前进,将做加速度逐渐减小的加速运动,达到最大速度时牵引力等于阻力,阻力f乘以最大速度vm是发动机的功率,再乘以t恰是发动机在t时间内做的功。故A D是正确的。
【例10】质量为m、额定功率为P的汽车在平直公路上行驶。若汽车行驶时所受阻力大小不变,并以额定功率行驶,汽车最大速度为v1,当汽车以速率v2(v2<v1)行驶时,它的加速度是多少? 解析:速度最大时,牵引力最小,在量值上等于阻力。所以f
由牛顿第二定律有: F-f=ma 其中f P,以速率v2运动时,v1PP, F v1v2
得 a P(v1 v2)P11 ( ) mv1v2mv1v2
【例11】质量是2000kg、额定功率为80kW的汽车,在平直公路上行驶中的最大速度为20m/s。若汽车从静止开始做匀加速直线运动,加速度大小为2m/s2,运动中的阻力不变。求:①汽车所受阻力的大小。②3s末汽车的瞬时功率。③汽车做匀加速运动的时间。④汽车在匀加速运动中牵引力所做的功。
解析:①所求的是运动中的阻力,若不注意“运动中的阻力不变”,则阻力不易求出。以最大速度行驶时,根据P=Fv,可求得F=4000N。而此时牵引力和阻力大小相等。
②由于3s时的速度v=at=6m/s,而牵引力由F—Ff=ma得F=8000N,故此时的功率为P= Fv =4.8×104W。
③设匀加速运动的时间为t,则t时刻的速度为v=a t=2t,这时汽车的功率为额定功率。由P=Fv,将F=8000N和v=2 t代入得t=5s。
④虽然功率在不断变化,但功率却与速度成正比,故平均功率为额定功率的一半,从而得牵引力的功为W=Pt=40000×5J=2×105J.
点评:③中的时间,有的学生用v=at,得t=vm/a=10s,这是错误的。要注意,汽车不是一直匀加速到最大速度的。
【例12】 质量为0.5kg的物体从高处自由下落,在下落的前2s内重力对物体做的功是多少?这2s内重力对物体做功的平均功率是多少?2s末,重力对物体做功的即时功率是多少?(g取10m/s)
解析:前2s,h
平均功率P 2121gt 10 22 20m,WG mgh 0.5 10 20 100J, 22W 50W,2s末速度vt gt 10 2m/s 20m/s,2s末即时功率t
P mgvt 100W。
三、针对训练
1.如图所示,力F大小相等,A B C D 物体运动的位移s也相同,哪种情况F做功最小( )
2.一质量为m的木块静止在光滑的水平面上,从t=0开始,将一个大小为F的水平恒力作用在该木块上,在t=T时刻F的功率是( )
F2T2
A.mF2T B.mF2T C.2mF2T2 D.2m
3.火车从车站开出作匀加速运动,若阻力与速率成正比,则( )
A.火车发动机的功率一定越来越大,牵引力也越来越大
B.火车发动机的功率恒定不变,牵引力也越来越小
C.当火车达到某一速率时,若要保持此速率作匀速运动,则发动机的功率这时应减小
D.当火车达到某一速率时,若要保持此速率作匀速运动,则发动机的功率一定跟此时速率的平方成正比
4.同一恒力按同样方式施于物体上,使它分别沿着粗糙水平地面和光滑水平抛面移动相同一段距离时,恒力的功和平均功率分别为W1、P1和W2、P2,则二者的关系是( )
A.W1 W2、P1 P2 B.W1 W2、P1 P2
C.W1 W2、P1 P2 D.W1 W2、P1 P2
5.如图甲所示,滑轮质量、摩擦均不计,质量为2kg的物体在F作用下由静止开始向上做匀加速运动,其速度随时间的变化关系如图乙所示,由此可知( )(g取10m/s2)
A.物体加速度大小为2 m/s2 B.F的大小为21N
C.4s末F的功率大小为42W D.4s内F做功的平均功率为42W
6.设飞机飞行中所受阻力与其速度的平方成正比,若飞机以速度v匀速飞行,其发动机功率为P,则飞机以2v匀速飞行时,其发动机的功率为( )
A.2P B.4P C.8P D.无法确定
7.物体静止在光滑水平面上,先对物体施一水平向右的恒力F1,经时间t后撤去F1,立即再对它施加一水平向左的恒力F2,又经时间t后物体回到原出发点,在这一过程中,F1、F2分别对物体做的功W1、W2之比为多少?
8.如图所示,在光滑的水平面上,物块在恒力F=100N作用下从A点运动到B点,不计滑轮的大小,不计绳、滑轮间摩擦,H=2.4m,α=37°,β=53°,求拉力F所做的功。
参考答案:
1.D F做功多少与接触面粗糙度无关,W=Fscosα,D中cosα最小,∴F做功最小。
2.B 此题易错选C,原因是将t=T时刻的功率错误地理解为T这段时间内的平均功率,从而用P W求得C答案,因此出现错误。T时刻的功率为瞬时功率,只能用P=F·v求解。 t
FFT,T时刻速度v aT mm因此物体加速度a
F2T所以P Fv ,故选项B正确。 m
3.A、C、D 根据P=Fv,F-f=ma,f=kv,∴P (kv ma)v kv mav。这表明,在题设条件下,火车发动机的功率和牵引力都随速率v的增大而增大,∴A正确。当火车达到某一速率时,欲使火车作匀速运动,则a=0,∴此时P kv,减小mav,∴C、D对。
4.B 恒力的功仅由力、位移及二者夹角决定,由题意,很显然W1 W2,沿粗糙面运动时,加速度小,通过相同位移所用时间t1较长,即t1>t2,∴P1 P2
5.C由速度一时间图像可得加速度a=0.5m/s2
由牛顿第二定律:2F-mg=ma 22
∴F mg ma 10.5N 2
P=Fv=10.5×2×2=42W
p WFs10.5 2 4 21Wtt4
故选项C正确。
6.C飞机匀速飞行时,发动机牵引力等于飞机所受阻力,当飞机飞行速度为原来的2倍时,阻力为原来的4倍,发动机产生的牵引力亦为原来的4倍,由P=Fv,∴此时发动机的功率为原来的8倍。
7.解:设物体质量为m,受恒力F1时,F1=ma1
则a1=F1/m
经t时间的位移s 1212a1t F1t/m ① 22
此时速度v a1t F1t/m,之后受恒力F2向左,与v方向相反,则物体做匀减速直线运动:F2=ma2,加速度a2=F2/m,经t时间又回到原出发点,此过程位移为s,方向向左,则力F2做正功。
因位移与v的方向相反,则有 s vt 1a2t2 2
即 s 11F22F1ta2t2 vt t t ② 22mm
②与①式联立可得F2 3F1,
则力F2做的功W2 3W1。所以W11 W23
8.解: s HHHH ) 100J ,有W Fs F(sin sin sin sin
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