这个弹力做功吗

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这个弹力做功吗
作者:何军
来源:《新课程学习·上》2013年第10期
学完功和能,我们知道功是能量转化的量度,功的定义表达式是W=Fscosα。

如果对其中的含义理解不清,运用的时候就会出问题。

例1.一个质量为50 kg的人,从1 m高的墙上跳下,脚着地后下蹲0.2 m后稳住身体,则在此过程中,地面对人的支持力做的
功为()
A.600 J
B.-600 J
C.0
D.无法判断
根据能量观点,人从墙上跳下到稳住身体,整个过程动能变化为零。

在此过程中重力做功600 J,根据动能定理得到支持力做功-600 J。

据此选择B选项。

在此过程中,地面对人的支持力真的做功吗?要想解决这个问题,我们首先要搞清楚功的定义及表达式中各个物理量的含义。

人教版物理必修二“功”这一节这样描述:①法国科学家科里奥利拓展了这一基本思想,明确地把作用于物体上的力和受力点沿力的方向位移的乘积叫做力的功。

②力和物体在力的方向上发生的位移,是做功的两个不可缺少的因素。

同样,在中国教中学教学百科全书中对功这样描述:①力在运动过程中的空间累积效应的量度。

在经典力学中也称为机械功。

作用到某物体上的力Fi移动微小位移△si所做的功为△W=Fi△sicosθi。

②△si或恒力做功的s均为受力质点在力作用下发生的位移。

当物体运动时,物体上的质点受到力的作用,但受力质点无位移时,则力不做功。

上述描述都表明W=Fscosα这一公式中的研究对象是力F,公式中的s是力作用点(质点)的位移,α角是力F方向和位移s方向之间的夹角。

当力直接作用在可视为质点的物体上时,物体位移和公式中的位移相同。

当力作用点不在物体上或者作用在不可视为质点的物体上时,物体的位移和公式中的位移是否匹配是值得大家思考的一个问题。

例2.如图1所示,恒力F作用在物体m上,力与水平方向夹角为α。

物体在力F作用下移动位移x,求力F做的功。

解析:力直接作用在物体上,将物体视为一质点,物体的位移即为力作用点的位移。

利用公式W=FSocsα,将力F、位移x代入公式可得功的大小为Fxcosα。

例3.如图2所示,恒力F与水平方向成α角,通过滑轮拉动质量为m的物体,使物体在水平面上移动位移s,在此过程中,力F做功为()
A.Fs cosα
B.Fs
C.Fs(1+cosα)
D.2Fs
解析:本题如果不加以分析,直接套用公式就会得到A选项。

我们如果明确公式中各物理量的含义,就会明确题中s是物体的位移,不是力作用点的位移,不能直接代入公式求解功的大小。

如图2所示,代入公式的位移和角度分别应是AC和角θ,角度θ在题中没有提及,也难以求解。

在此情况下,将力作用点的位移分解到力的方向,即图2中CD段。

根据几何关系可得:AB=BC,BD=
ABcosα,则力做功为C选项。

现回头看人跳下来的问题。

当人脚着地后,地面对脚的作用力一直存在。

人的重心不断下降,但脚没有发生移动。

根据功的定义式,力的作用点没有位移,则做功为零。

在人跳下来的过程中地面对人没有做功,是什么力做功导致了能量转化呢?我们以弹性小球为例分析其中的过程。

弹性小球落地后发生弹性形变,速度不断发生变化。

在此过程中,弹性小球不能被看做一个质点,而是一个质点组。

该质点组与地面接触的质点(球与地面的接触点)不发生移动,作用到该质点的力不做功。

质点组其他质点的位置发生变化,作用到其他质点上的力对作用的质点做功,从而导致能量发生变化。

弹性小球与地面接触过程中能量发生变化的实质是弹性小球内部各部分之间的作用力做功导致弹性小球的弹性势能和其他能量之间的相互转化。

人跳下来与地面接触过程能量变化实质自然也是人体各部分之间的作用力(内力)做功实现了能量的转化。

地面对人的作用力没有做功。

功的表达式对质点同样适用。

当研究对象不是质点时,我们要仔细辨析其中各个物理量的含义。

(作者单位江苏省扬中高级中学)
编辑李建军。