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1.5 合力做功

功和功率 · 高一
先确认一下:这一关能不能学
先会这个
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 多个力同时作用在物体上,这些力对物体做功的代数和,等于它们的合力对物体所做的功。

从哪来 建立在 1.2 能量与做功的关系 之上。既然功是能量转化的量度,那么无论通过几个力做功,最终改变物体能量(如动能)的总效果,必然等同于一个等效的“合力”所做的功。

为什么 功是标量,其计算遵循代数运算法则。 从数学推导看:设物体受 $F_1, F_2, \dots, F_n$ 作用,位移为 $s$。 各力做功之和 $W_{total} = F_1 s \cos\alpha_1 + F_2 s \cos\alpha_2 + \dots + F_n s \cos\alpha_n$。 根据矢量合成法则,合力 $\vec{F}_{合} = \vec{F}_1 + \vec{F}_2 + \dots + \vec{F}_n$。 合力做功 $W_{合} = \vec{F}_{合} \cdot \vec{s} = (\vec{F}_1 + \vec{F}_2 + \dots + \vec{F}_n) \cdot \vec{s} = \vec{F}_1 \cdot \vec{s} + \vec{F}_2 \cdot \vec{s} + \dots + \vec{F}_n \cdot \vec{s}$。 两者在数学上严格相等。 从物理本质看:做功描述的是力在空间上的累积效果。既然合力是各分力的矢量等效替代,那么合力产生的“空间累积效果”(功)自然等于各分力产生效果的总和。这体现了“等效替代”思想在能量传递中的体现。

适合类型:逻辑推导型、数学基础较好的学生** **讲法:矢量点乘的分配律推导** 直接利用功的定义式 $W = \vec{F} \cdot \vec{s}$。 1. 写出合力:$\vec{F}_{合} = \sum \vec{F}_i$。 2. 计算合力做功:$W_{合} = (\sum \vec{F}_i) \cdot \vec{s}$。 3. 利用点乘分配律展开:$W_{合} = \sum (\vec{F}_i \cdot \vec{s}) = \sum W_i$。 **核心话术
“同学们,这不是物理定律,这是数学恒等式。只要你们相信矢量加法,就必须接受功的叠加性。这是最严谨的证明。”
适合类型:直观形象型、喜欢生活类比的学生** **讲法:拔河比赛的“总贡献”类比** 1. 场景:三个人一起推一辆陷在泥里的车。 2. 提问:如果甲推了100J,乙推了50J,丙没推。车获得的总能量是多少? 3. 引导:是150J。 4. 转换:如果我们把这三个人看作一个“超级大力士”(合力),这个超级大力士推车做的功是多少? 5. 结论:也是150J。 **核心话术
“合力不是一个新的力,它是所有分力的‘总和代表’。既然代表要代表整体,它做的功必须等于所有成员做的功加起来,否则能量就不守恒了。”
适合类型:计算困难型、需要解题技巧的学生** **讲法:正交分解法(分量叠加)** 1. 场景:斜面上物体受重力、支持力、摩擦力。 2. 痛点:直接求合力方向麻烦,角度不好找。 3. 技巧: - 方法一:先求合力 $\vec{F}_{合}$,再算 $W = F_{合} s \cos\theta$。 - 方法二:分别算 $W_G, W_N, W_f$,然后相加 $W_{total} = W_G + W_N + W_f$。 4. 对比:在斜面问题中,支持力不做功,重力做功只与高度有关,摩擦力做功只与路程有关。分别计算往往比求合力更简单,因为避免了复杂的矢量合成角度计算。 **核心话术
“遇到多力做功,别急着画合力矢量图。先问自己:哪个力不做功?哪个力做功好算?把简单的先算出来,加在一起,这就是合力做的功。”
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练一道
基础题
一个质量为 2kg 的物体在光滑水平面上,受到水平向右的拉力 $F_1=10N$ 和水平向左的推力 $F_2=4N$。物体在 2s 内向右移动了 5m。求: (1) 各力做的功; (2) 合力做的功; (3) 验证两者是否相等。
变式
一个物体从光滑斜面顶端滑下,斜面长 $L=10m$,高 $h=6m$。物体质量 $m=5kg$,初速度为0,滑到底端时速度为 $v$。忽略空气阻力。 (1) 重力做多少功?支持力做多少功? (2) 合力做多少功? (3) 如果斜面粗糙,摩擦系数 $\mu=0.2$,合力做功如何变化?(提示:用分别求功法)
试试手自己判
检测题
一个物体在水平面上运动,受到三个水平力作用:$F_1=10N$ 向东,$F_2=10N$ 向北,$F_3=10\sqrt{2}N$ 向西南。物体向东移动了 10m。求合力对物体做的功。
看答案和判分标准
答案:$W_{合} = 0 \text{ J}$
判对标准:
1. 正确分解或合成:
* 方法一(分别求功):
* $F_1$ 向东,与位移同向,$W_1 = 10 \times 10 = 100 \text{ J}$。
* $F_2$ 向北,与位移垂直,$W_2 = 0 \text{ J}$。
* $F_3$ 向西南,与向东的位移夹角为 $135^\circ$(或分解为向西 $10N$,向南 $10N$)。
* 若分解:向西分量 $10N$ 做负功 $-10 \times 10 = -100 \text{ J}$;向南分量 $10N$ 不做功。
* 总功 $W_3 = -100 \text{ J}$。
* 总功 $W = 100 + 0 - 100 = 0 \text{ J}$。
* 方法二(求合力):
* 东向合力:$10 (F_1) - 10 (F_3 \text{的东向分量}) = 0$。
* 北向合力:$10 (F_2) - 10 (F_3 \text{的北向分量}) = 0$。
* 合力为 0,故做功为 0。
2. 关键得分点:
* 必须识别出 $F_3$ 的东向分量与 $F_1$ 抵消,或者 $F_3$ 做负功抵消 $F_1$ 的正功。
* 若学生算出 $100J$ 或 $-100J$ 或其他非零值,判错。
* 若学生直接说“合力为零所以做功为零”,但未展示计算过程或分解过程,需追问其如何确定合力为零。若能正确分解矢量并得出合力为零,则判对。
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