物理必修 第二册第1节 机械功课前预习ppt课件

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小小的一颗子弹被抛出后，人可轻易将其接住。但是，子弹被高速射出，则可击穿玻璃、木块甚至石头等。水能滋润庄稼，也能冲毁农田。若水被拦蓄在高处，其能量可以转化为电能，用来取暖、照明等。这里面有怎样的奥秘?
能量，我们既熟悉又陌生。运动的物体具有动能，被举高的物体具有势能，物体的动能和势能可相互转化。这些能量与哪些因素有关?能量转化遵循怎样的规律?通过本章的学习，认识了功和机械能之间的关系，你就会明白其中的奥秘。
用一定的力斜拉购物篮移动时 (图1—1)，拉力方向与篮的位移方向有一定的夹角，拉力对篮做功了吗?在初中物理的基础上，本节我们进一步深化对功的认识，学习力与位移互成角度时功的计算。
图1—1 人拉购物篮
机械功的 含义
具有能量的物体能做一些事情、完成一些工作
定义： 如果施力于某物体，并使该物体在力的方向上移动一段距离，我们就说力对这个物体做了功。
如果作用于某物体的恒力大小为 F，该物体沿力的方向运动的位移大小为 s，则F与s的乘积称为机械功 (mechanical wrk)，简称功，用W表示。
这个公式只适用于恒力方向与运动方向一致的情况。
如果力和位移不在同一直线上要如何计算？
在生产生活中，我们经常见到类似斜拉购物篮的情景，这时作用于物体的力与物体的位移成一定夹角。在这个过程中，拉力做的功是多少呢?我们把斜拉购物篮这类情景转换为物理模型，物体在与水平方向成角的恒定拉力F作用下沿水平方向移动，发生的位移是 s，在这个过程中，拉力F所做的功是多少?
如图1—2所示，可将 F 分解为沿水平方向向右的分力 F1 和沿竖直方向向上的分力 F2。F1与物体位移的方向一致，对物体做了功；F2与物体位移的方向垂直，不对物体做功。
因此，恒力F对物体所做的功W就等于分力 F1 所做的功。再结合功的定义，可得出恒力做功的计算公式
功只有大小没有方向，是标量。在国际单位制中，功的单位是焦耳，用符号J表示。如果 1 N 的力使物体在力的方向上发生了 1 m 的位移，那么这个力对该物体所做的功就是1J，即
1 J ＝ 1 N × 1 m ＝ 1 N·m
我们也可用图像来描述力对物体做功的大小。当力的方向与位移方向一致时，以力 F 的大小为纵坐标、位移 s 的大小为横坐标，作出 F 随 s 变化的图像。
当F为恒力时，由F和s为邻边构成的矩形面积即表示功的大小，如图 1—3 (a)所示。
若F不是恒力，可将位移划分为若干等距的小段，在每个小段中F可近似看成恒力，其所做功的大小即为该小段对应的小矩形的面积，整个过程中 F 所做功的大小近似等于所有小矩形面积之和，如图 1—3 (b) 所示。
思考：下列情形中，人是否对物体做功
机械功的 计算
由功的计算公式可知，当力 F 和物体位移 s 的大小都一定时，功 W 就由 F与 s 的夹角 α 的余弦 cs α 决定。当α＝0°时，csα＝1，W＝Fs，这就是初中物理中作用力与物体位移方向相同的情况。当α＝90°时，cs α＝0，W＝0，表示力 F 与物体位移的方向垂直时，对物体不做功。
当 0°≤α＜90°时，csα＞0，W＝Fscs α＞0，表示力F对物体做正功。当90°＜α≤180°时，cs α＜0，W＝Fscs α＜0，表示力 F 对物体做负功，也可说物体克服这个力做了功。当α＝180°时，cs α＝－1，W＝－Fs，表示作用力与物体位移方向相反。
正负表示力对物体做功还是克服力做功
例如，在某些飞机着陆滑跑中，要打开尾部的减速伞(图 1—4)。在这个过程中，减速伞拉力的方向与飞机位移的方向相反，对飞机做负功，也可以说飞机克服这个拉力做了功。
当物体在多个外力共同作用下运动，求所有外力对物体做的总功时，需要逐个分析哪些力做功，哪些力不做功，哪些力做正功，哪些力做负功。功是标量，对功的叠加应采用求代数和的方法。所有外力对物体做的总功，等于各个力分别对物体做功的代数和，即
W总＝W1＋W2＋W3＋··· ＝ F1scs α1＋F2scs α2＋F3scs α3 ＋···
可以证明，某个物体在多个外力作用下运动时，所有外力对这个物体做的总功，也等于这些外力的合力对该物体做的功，即
W总＝W1＋W2＋W3＋···
一人用平行于斜面的推力把重 G＝500 N的货物从斜面底端推到斜面顶端。已知斜面的倾角α＝37°，斜面长l＝5m，斜面与货物间的动摩擦因数μ＝0.2，推力 F＝400 N。求货物从斜面底端运动到顶端的过程中，所受各力分别对其做的功，以及所有外力对其做的总功。(货物可视为质点，取 sin37°＝0.6，cs37°＝0.8)
分析斜面上的货物受到重力 G、推力 F、支持力N和摩擦力f共四个力的作用，受力分析如图 1—5 所示。货物位移s的方向沿斜面向上，G与s的夹角是 90°＋α ，N与s的夹角是90°，f与s的夹角是180°。由功的计算公式可知各力做的功，再计算各力做功的代数和可知合外力做的功。
图1-5 货物的受力分析示意图
计算某力做功时，需先确定物体在该力的作用下发生的位移，找出力与位移的夹角 α ，再运用W= Fscs α 计算该力所做的功。计算合外力所做的功时，可分别计算每个力所做的功，再求其代数和：也可先求物体所受的合外力，然后计算合外力所做的功。具体采用哪种方法，应视题目情况而定。
解将货物视为质点，则其位移 s＝l＝5m。推力 F 对货物做功 W1＝ Fs ＝ 400×5J ＝ 2 000 J重力 G 对货物做功 W2＝Gscs (90°＋α)＝ ─ Gssin α ＝ ─ 500×5×0.6J ＝ ─ 1 500 J
支持力 N 对货物做功 W3＝Nscs 90°＝0摩擦力 f 对货物做功 W4＝fscs 180°＝ ( μGcs α )scs 180° ＝─0.2×500×0.8×5J ＝ ─400J所有外力对货物做的总功 W总＝W1＋W2＋W3＋W4 ＝(2 000─1500＋0－400) J＝100 J
讨论 求得所有外力对货物做的总功大于零，表明货物所受的动力大于阻力。
上述问题中，能否先求出物体所受的合外力，再求出合外力做的功?试一试，看看计算结果是否相同。
1. 如图所示，若用轻绳拴一物体，使物体以恒定加速度向下做减速运动，则下列说法正确的是( )A.重力做正功，拉力做负功，合外力做正功B.重力做正功，拉力做负功，合外力做负功C.重力做正功，拉力做正功，合外力做正功D.重力做负功，拉力做负功，合外力做负功
2. 下列选项中，物体所受力F的大小相等，位移方向向右、大小相同。其中，F做功最少的是( )
3. 质量 m＝2kg 的物体，受到与水平方向成37°角斜向右上方、大小为 10 N的拉力F的作用，在水平地面向右移动的距离 s＝2 m，物体与地面间的滑动摩擦力 f＝4.2 N。取 sin37°＝0.6，cs37°＝0.8，求在此过程中合外力对物体所做的功。
拉力F对物体所做的功W＝Fscs37°＝16J，摩擦力f对物体所做的功为W2＝fscs180°＝－8.4J，外力对物体所做的总功W＝W1＋W2＝7.6J
4. 下列说法正确的是( )A. 静摩擦力一定不做功B. 滑动摩擦力一定做负功C. 滑动摩擦力一定做正功D. 滑动摩擦力既可以做正功也可以做负功
5. 关于作用力与反作用力做功，有同学认为：当作用力做正功时，反作用力一定做负功，你认为这种观点正确吗?请说明理由。
这种观点不正确，作用力和反作用力是作用在两个相互作用的物体之上的，作用力与反作用力方向相反，但两个物体的运动方向不一定相反。故一对相互作用力的功是无关的。
例如，作用力和反作用力可以同时做负功，也可以同时做正功，如冰面上两个原来静止的小孩子相互推一下之后，两人同时后退，则两力都做正功；而两个相对运动后撞在一起的物体，作用力和反作用力均做负功，当作用力不做功时，反作用力可以做功，如物体在地面上滑动时，地面对物体的摩擦力做负功，而物体对地面的摩擦力不做功。
6. 以一定的速度竖直向上抛出一小球，小球上升的最大高度为 h。假设空气阻力大小恒为 F，那么在小球被抛出至落回出发点的过程中，空气阻力对小球做的功为多少?
上升过程与下降过程空气阻力对小都做负功，根据功的表达式 W＝Fs 可得 Wf ＝－2Fh