一、人做的功
人做的功就是人体消耗化学能的量度,是人体内肌肉之间内力做的总攻,不少同学错误认为只是人对其他物体作用力所做的功。
例1、质量为、的两物体,静止在光滑的水平面上,质量为m的人站在上用恒力F拉绳子,经过一段时间后,两物体的速度大小分别为和,位移分别为和,如图1所示,则这段时间内此人所做的功的大小等于( )
A.
B.
C.
D.
错解:人所做的功等于拉力F对物体所做的功,由动能定理可得:,则AD正确。
正解:根据能量守恒可知,人通过做功消耗的化学能将全部转化为物体和的动能以及人的动能,所以人做的功的大小等于,即BC两选项正确。
二、相对位移与绝对位移概念不清
功的计算公式中,l为力的作用点移动的位移,它是一个相对量,与参照物选取有关。通常取地面为参照物,此时为狭义上的绝对位移。求一对滑动摩擦内力做的总功等,此时要的是相对位移或路程。
例2、小物块位于光滑的斜面上,斜面位于光滑的水平地面上(如图2所示),从地面上看,在小物块沿斜面下滑的过程中,斜面对小物块的作用力:( )
A. 垂直于接触面,做功为零;
B. 垂直于接触面,做功不为零;
C. 不垂直于接触面,做功不为零;
D. 不垂直于接触面,做功为零。
错解:斜面对小物块的作用力垂直于接触面,作用力与物体的位移垂直,故做功为零,即A选项正确。
正解:小物块A在下滑过程中和斜面之间有一对相对作用力F和F′,如图3所示,如果把斜面B固定在水平桌面上,物体A的位移方向和弹力方向垂直,这时斜面对物块A不做功,但此题告诉的条件是斜劈放在光滑的水平面上,可以自由滑动,此时弹力方向仍然垂直于斜面,但是物块A的位移方向却是从初位置指向末位置,如图3所示,弹力和位移方向不再垂直而是成一钝角,所以弹力对小物块A做负功,即B选项正确。
三、杆的弹力方向与绳的弹力方向概念不清
绳的弹力是一定沿绳的方向的,而杆的弹力不一定沿杆的方向,所以当物体的速度与杆垂直时,杆的弹力可以对物体做功。
例3、如图4所示,在长为L的轻杆中点A和端点B各固定一质量均为m的小球,杆可绕无摩擦的轴O转动,使杆从水平位置无初速释放摆下。求当杆转到竖直位置时,轻杆对A、B两球分别做了多少功?
错解:由于杆的弹力总垂直于小球的运动方向,所以轻杆对A、B两球均不做功。
正解:设当杆转到竖直位置时,A球和B球的速度分别为和,如果把轻杆、地球、两个小球构成的系统作为研究对象,那么由于杆和小球的相互作用力做功总和等于零,故系统机械能守恒,若取B的最低点为零重力势能参考平面,可得:
又因A球对B球在各个时刻对应的角速度相同,故
由以上二式得:,。
根据动能定理,可解出杆对A、B做的功,对于A有
,
所以,对于B有,所以。
四、关联速度概念不清,忽视了线张紧瞬间的机械能损失
例4、一质量为m的质点,系于长为R的轻绳的一端,绳的另一端固定在空间的O点,假定绳是不可伸长的、柔软且无弹性的,今把质点从O点的正上方离O点的距离为的点以水平的速度抛出,如图5所示,试求:
(1)轻绳即将伸直时,绳与竖直方向的夹角为多少?
(2)当质点到达O点的正下方时,绳对质点的拉力为多大?
错解:很多同学在求解这道题第二问时,对全过程进行整体思维,设质点到达O点的正下方时速度为v,根据能量守恒定律可得:
根据向心力公式得:,
解得:。
正解:上述解不是错误的,这些同学对物理过程没有弄清楚,忽视了在绳被拉直瞬时过程中机械能的瞬时损失,其实质点的运动可分为三个过程。
第一过程:质点做平抛运动。设绳即将伸直时,绳与竖直方向的夹角为,如图6所示,则,,其中
联立解得,。
第二过程:绳绷直过程,绳绷直时,绳刚好水平,如图6所示。由于绳不可伸长,故绳绷直时,损失,质点仅有速度,且。
第三过程:小球在竖直平面内做圆周运动,设质点到达O点正下方时,速度为v′,根据机械能守恒定律有:,设此时绳对质点的拉力为T,则,联立解得:。
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