师:同学们,今天我们一起来复习功。这节课有两个复习内容,一是功的概念,二是功的计算。当一个物体在力的作用下发生一段位移,我们就说这个力做了功,其表达式为(W = Fs\cos\alpha),这里的(\alpha)指力和位移之间的夹角。下面我们来看两个概念辨析。
有同学认为支持力和接触面垂直,所以支持力总是不做功。大家觉得他这种想法对吗?
生:不对。
师:非常好,是不正确的。比如人站在电梯里,会受到电梯向上的支持力。当电梯向上运行时,支持力做正功;当电梯向下运行时,支持力做负功。所以支持力是可以做功的。物体在水平面上运动时,支持力之所以不做功,是因为支持力和位移垂直,(\alpha = 90^{\circ}),(\cos\alpha = 0)。由此可见,支持力可以做正功、负功,也可以不做功,这取决于(\cos\alpha)的值。
下面来看第二个概念辨析。有同学认为滑动摩擦力和相对运动方向相反,所以滑动摩擦力总是做负功。大家认为他的想法对吗?
生:不对。
师:没错,也是不正确的。我们来看这个模型,在粗糙水平地面上,木板(A)上面放着木块(B),它们初始都静止,二者间摩擦因数为(\mu)。现在用一个足够大的力(F)拉动(A),使(A)、(B)发生相对运动。我们来分析它们之间摩擦力的功。
首先对(B)进行受力分析,(B)相对于(A)向后运动,所以它受到的滑动摩擦力向前,与相对运动方向相反;那么(A)就受到(B)给的向后的滑动摩擦力,这是一对相互作用力。观察可知,(B)所受摩擦力与位移方向相同,所以(f')做正功;(A)所受摩擦力与它的位移方向相反,所以(f)做负功。滑动摩擦力可以做正功,也可以做负功,那它可不可以不做功呢?还是用这个例子,地面粗糙,(A)与地面间有滑动摩擦力,地面受到(A)向前的滑动摩擦力,但地面位移为(0),所以这个摩擦力不做功。因此,滑动摩擦力既可以做正功,也可以做负功,还可以不做功。
进一步分析,(f')和(f)是一对相互作用力,等大反向。同学们思考一下,一对相互作用力的功的代数和一定为(0)吗?我们一起来计算一下。(A)的摩擦力做负功,可表示为(-f\times A)的位移;(B)的摩擦力做正功,可表示为(f'\times B)的位移。把这两个功加起来得到功的代数和为(-\mu mg(S_A - S_B)),我们发现(S_A)与(S_B)不相等,所以这个值不等于(0)。也就是说,一对相互作用力虽然等大反向,但它们功的代数和不一定为(0)。
以上就是两个概念的辨析,在这个过程中,我们运用了(W = Fs)来求恒力所做的功。那如果是变力的功,该怎么求呢?我们来看下面这道例题。
质量为(m)的小球,用细绳悬挂静止在竖直位置,现在用一个水平力(F)缓慢拉动它,使其到达(\theta)位置。在这个过程中,(F)做了多少功呢?首先要理解“缓慢拉动”的含义,这说明小球在每个时刻都处于平衡状态。我们对小球进行受力分析,小球受到重力、水平拉力(F)以及绳子的拉力(T),这三个力平衡,任意两个力的合力与第三个力等大反向。我们把(T)和(F)合成,找到角度(\theta),就可以计算出(F = mg\tan\theta)。当(\theta)变大时,(F)也跟着变大,所以(F)是一个变力。这道题就是要求变力(F)所做的功。我们知道(W = Fs\cos\alpha)只适用于求恒力做功,那求变力做功该怎么办呢?
我们分析一下,小球缓慢移动,动能变化为(0)。在摆动过程中,拉力(T)始终与速度垂直,所以(T)不做功,重力做的功与高度差有关,这个(h)我们可以利用绳长求出。因此,我们可以利用动能定理来求变力做功,写成(-mgh + W_F = 0)(重力做负功),(h = l - l\cos\theta)((l)为绳长),把(h)代入就可以求得变力(F)所做的功。
通过这个题目我们知道,如果题目已知初末状态,还能求出其他力所做的功,就能用动能定理来求变力做功。还有其他方法吗?我们来看下一道例题。
有同学用恒力(F)通过光滑滑轮拉着放在粗糙水平面上的物块,使其缓慢移动。开始时,绳子与水平方向夹角是(\alpha),过一段时间夹角变为(\beta),已知滑轮到物体的高度为(h),求绳子拉力(F')对物体所做的功。
