高考物理【一轮复习】讲义练习第六章　微点突破4　变力做功

这是一份高考物理【一轮复习】讲义练习第六章　微点突破4　变力做功，共5页。试卷主要包含了“微元法”求变力做功，“平均力”求变力做功，“图像法”求变力做功，“转化法”求变力做功等内容，欢迎下载使用。
1.“微元法”求变力做功
将物体的位移分割成许多小段，因小段很小，每一小段上作用在物体上的力可以视为恒力，这样就将变力做功转化为在无数多个无穷小的位移上的恒力所做功的代数和，此法适用于求解大小不变、方向改变的变力做功。如图所示，质量为m的木块在水平面内做圆周运动，运动一周克服摩擦力做功W克f＝Ff·Δx1＋Ff·Δx2＋Ff·Δx3＋…＝Ff(Δx1＋Δx2＋Δx3＋…)＝Ff·2πR。
例1 (多选)(2024·山东泰安市检测)如图所示，摆球质量为m，悬线长度为L，把悬线拉到水平位置后静止释放摆球。设在摆球从A点运动到B点的过程中空气阻力的大小Ff不变，重力加速度为g，则下列说法正确的是( )
A.重力做功为mgL
B.悬线的拉力做功为0
C.空气阻力做功为－mgL
D.空气阻力做功为－12FfπL
答案 ABD
解析 根据W＝Flcs α，摆球下摆过程中，重力做功为mgL，A正确；悬线的拉力始终与速度方向垂直，故做功为0，B正确；空气阻力的大小不变，方向始终与速度方向相反，使用微元法得空气阻力做功为－Ff·12πL＝－12FfπL，C错误，D正确。
2.“平均力”求变力做功
当力的方向不变而大小随位移线性变化时，可先求出力在这段位移中的平均值F＝F1＋F22，再由W＝Flcs α计算，如弹簧弹力做功。
例2 野山鼠擅长打洞，假设野山鼠打洞时受到的阻力Ff与洞的深度L成正比，即Ff＝kL(k为比例常数)，则野山鼠打到洞深d的过程中，需要克服阻力做的功为( )
A.kd2B.kd22C.2kd2D.k2d22
答案 B
解析 由于打洞时受到的阻力Ff与洞的深度L成正比，则野山鼠打到洞深d的过程中，需要克服阻力做的功为W＝Ff·d＝kd2d＝kd22，故选B。
3.“图像法”求变力做功
在F－x图像中，图线与x轴所围“面积”的代数和就表示力F在这段位移内所做的功，且位于x轴上方的“面积”为正功，位于x轴下方的“面积”为负功，但此方法只适用于便于求图线与x轴所围面积的情况(如三角形、矩形、圆等规则的几何图形)。如图所示，一水平拉力拉着一物体在水平面上运动的位移为x1，F－x图线与横轴所围面积表示拉力所做的功，W＝F0＋F12x1。
例3 一物体所受的力F随位移x变化的图像如图所示，在这一过程中，力F对物体做的功为( )
A.3 JB.6 J
C.7 JD.8 J
答案 B
解析 力F对物体做的功等于F－x图线与横轴所围面积的代数和，0~4 s这段时间内力F对物体
做的功为W1＝12×(3＋4)×2 J＝7 J，4~5 s这段时间内力F对物体做的功为W2＝－12×(5－4)×2 J＝－1 J，全过程中，力F对物体做的功为W＝W1＋W2＝7 J－1 J＝6 J，故选B。
4.“转化法”求变力做功
通过转换研究对象，可将变力做功转化为恒力做功，用W＝Flcs α求解，如轻绳通过光滑轻质定滑轮拉物体运动过程中拉力做功问题。如图所示，恒力F把放在光滑水平面上的物体从A拉到B，因轻绳对物体做的功等于拉力F对轻绳做的功，故轻绳对物体做功W＝F(hsinα－hsinβ)。
例4 如图所示，一辆拖车通过光滑轻质定滑轮将一重为G的物体匀速提升，当拖车从A点水平移动到B点时，位移为s，绳子由竖直变为与竖直方向成θ角，不计空气阻力，求此过程中拖车对绳子所做的功。
答案 1-csθsinθGs
解析 拖车对绳子做的功等于绳子对物体做的功，以物体为研究对象，由于整个过程中物体匀速运动，所以绳子的拉力大小FT＝G。物体上升的距离等于滑轮右侧后来的绳长OB减去开始时的绳长OA，即l＝ssinθ－stanθ，所以绳子对物体做的功W＝FTl＝1-csθsinθGs，则拖车对绳子做的功等于1-csθsinθGs。
其他求变力做功的方法
(1)当发动机功率一定，求发动机做功用W＝Pt。
(2)利用动能定理求变力做功WF＋W其他力＝ΔEk。
1.(2025·山东烟台市龙口市段考)水平桌面上，长6 m的轻绳一端固定于O点，如图所示(俯视图)，另一端系一质量m＝2.0 kg的小球。现对小球施加一个沿桌面大小不变的力F＝10 N，F拉着小球从M点运动到N点，F的方向始终与小球的运动方向成37°角。已知小球与桌面间的动摩擦因数μ＝0.2，不计空气阻力，g取10 m/s2，sin 37°＝0.6，cs 37°＝0.8，则下列说法正确的是( )
A.拉力F对小球做的功为16π J
B.拉力F对小球做的功为8π J
C.小球克服摩擦力做的功为16π J
D.小球克服摩擦力做的功为4π J
答案 A
解析 将圆弧分成很多小段l1、l2…ln，拉力F在每小段上做的功为W1、W2…Wn，因拉力F大小不变，方向始终与小球的运动方向成37°角，
所以W1＝Fl1cs 37°，W2＝Fl2cs 37°，…
Wn＝Flncs 37°
故WF＝W1＋W2＋…＋Wn＝Fcs 37°(l1＋l2＋…＋ln)＝Fcs 37°·πR3＝10×0.8×π3×6 J＝16π J，故A正确，B错误；同理可得小球克服摩擦力做的功W克f＝μmg·πR3＝8π J，故C、D错误。
2.如图所示，n个完全相同、棱长足够小且互不粘连的小方块依次排列，总长度为l，总质量为M，它们一起以速度v在光滑水平面上滑动，某时刻开始滑上粗糙水平面。小方块与粗糙水平面之间的动摩擦因数为μ，重力加速度为g，若小方块恰能完全进入粗糙水平面，则摩擦力对所有小方块所做功的大小为( )
A.14μMglB.13μMgl
C.12μMglD.μMgl
答案 C
解析 小方块依次进入粗糙区域，摩擦力随位移线性增大，设小方块全部进入粗糙区域时的摩擦力为Ff，则Ff=μMg，整个过程中的平均摩擦力Ff=0+Ff2=12μMg，摩擦力对所有小方块做的功W=-Ff·l=-12μMgl，所以做功的大小为12μMgl。故选C。
3.(多选)(2024·山东泰安市检测)如图甲所示，质量为4 kg的物体在水平推力作用下由静止开始运动，推力大小F随位移大小x变化的情况如图乙所示，物体与地面间的动摩擦因数μ=0.5，g取10 m/s2，则( )
A.物体先做加速运动，推力减小到零后才开始做减速运动
B.物体在运动过程中的加速度先变小后不变
C.运动过程中推力做的功为200 J
D.物体在运动过程中的最大速度为8 m/s
答案 CD
解析 滑动摩擦力大小为Ff=μmg=20 N，一开始推力大于滑动摩擦力，随着推力的减小，物体先做加速度逐渐减小的加速运动；当推力减小到20 N时，加速度为零，物体的速度达到最大；之后推力小于滑动摩擦力，物体做加速度逐渐增大的减速运动，当推力减小为零后，物体做匀减速运动，故A、B错误；根据F-x图像中图线与横轴所围的面积表示推力做的功，可得运动过程中推力做的功为W=12×100×4 J=200 J，故C正确；当推力减小到20 N时，加速度为零，物体的速度达到最大，根据F-x图像可知此时物体的位移为x=3.2 m，根据动能定理可得WF-Ffx=12mvm2-0，其中WF=12×(100+20)×3.2 J=192 J，解得物体在运动过程中的最大速度为vm=8 m/s，故D正确。