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正确理解做功时的位移

 家有学子 2011-10-15

 如何计算功的大小?教材给出了这样的回答:力对物体所做的功,等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的乘积。对学生来说,这里的位移往往被理解为物体在力的方向上的位移。这样理解是对的,但是不确切。“位移”到底是谁的位移,是力的作用点的位移,还是物体的位移?在很多情况下,我们把“位移”讲授成“物体的位移”,或没有明确指出“位移”是“谁的位移?”。而且在大多数情况下,我们把所研究的物体当作质点,因此也就笼统地把位移理解为“物体的位移”。
例一:如图1所示,物体质量1kg,斜向上拉F=10N,物体和水平面间的滑动摩擦因数μ=0.25,物体在F的作用下前进10m。则在这段时间内,拉力对物体做多少焦耳的功?

解析:由功的公式,其中力F=10N,位移l=10m,夹角α=370,代入得功w=80J。
这里的位移指的是物体的位移,但如果遇到下面的问题如何解释呢?
例二:一个质量为60kg的同学沿着楼梯匀速上升10米,楼梯对该同学的支持力做了多少功?(g=10m/s2)
 解析:由于该同学是匀速上升的,
 所以支持力等于重力,即F=G=600N
 上升的高度h=10m。
由得w=6000J。
我们知道这个结果是错误的。因为在整个运动过程中支持力的作用点在力的方向上没有发生位移,所以该支持力做功为零。问题分析到这里学生就要问,根据功的公式,在这个运动中有力,有位移,而且方向一致,为什么支持力不做功呢?如果支持力不做功,该同学是怎么上去的?
这里就要明确一下功的公式中的位移到底是指谁的位移。公式中的位移更准确一点是指力的作用点的位移。在这个题目中支持力的作用点在楼梯的台阶上,人在上升时这一作用点并没有动,所以该力不做功。人之所以能上楼是由人体内部的肌肉能量转化而来。这种情况生活中屡见不鲜,比如人走路、跑步时地面的摩擦力对人不做功;人跳高时,地面的支持力对人不做功。这些都是人体内部能量转化而来的。
理解了这一点,我们分析一下下面的问题。

例三:质量为m的物体放在光滑的水平面上,绳经滑轮与水平方向成α角,用大小为F的力拉物体,如图二所示。使物体在水平面上前进l。求拉力对物体所做的功为多少?
 

   在本题中,力F是作用在绳上的,题目已知的位移是物体的位移,不是力F的作用点的位移。所以不能用计算。
F作用点的位移如图三所示,求得力的作用点的位移,
因此力F的功。
由以上分析,我们知道公式中的位移我们更应理解为力的作用点的位移,但多数情况是力直接作用在物体上,而物体也可视为质点,所以力的作用点的位移等于物体的位移。理解到这一点我们在以后解题时会更顺利。

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