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1、“绳、滑轮、物体”模型中的做功问题湖南 卢小柱求解用绕过滑轮的绳牵引物体、从而对物体做的问题,是学生中普遍存在的一类难题。按照功的定义式有:W=Fscosq,其中F是外力,s是物体在力方向上发生的位移,q是s与F方向的夹角。这对于“绳、滑轮、物体”模型中的做功是否适用呢?请看下面分析。1 用绕过定滑轮的绳子拉物体HHG图1FOO如图1,跨过定滑轮的绳子一端悬挂一重为G的物体,另一端用恒力F向下拉,使物体上升了高度H,不计一切阻力和绳子与滑轮间的摩擦力。我们知道,这一过程中恒力F对物体做的功为W=FH。但是,仔细分析示意图发现,力F并不直接作用在物体G上,而是作用在绳子上的O点,它在力F方向的位
2、移为H,方向与F方向相同。而物体的位移竖直向上,与F的方向相反,因此,实质上是力F对绳子做了功,绳子的张力又对物体做了功,由于不计绳子质量以及绳子与滑轮之间的摩擦阻力等,使得这两个力做的功完全相等,故通常就说成是力F对物体做的功。显然,若摩擦阻力等不能忽略,那么F做的功就不等于绳子张力对物体做的功了。因此,用力牵引绳子时做的功为:W=Fscosq,其中s为力的作用点(绳子一端,而不是绳子另一端的物体)的位移,q为作用点的位移与力方向的夹角。图2F3060H例1 如图2所示,一人用恒力F通过定滑轮拉水平路面上的汽车,定滑轮到地面的高度为H,则汽车从绳与水平方向夹角30的位置运动到夹60的位置的过
3、程中,F对汽车做的功为多少?不计绳子质量和摩擦。解:在汽车运动过程中,恒力F的作用点的位移为S=-=H故力F做的功为:W=FS=FH2 用绕过动滑轮的绳子拉物体图3GFq1q2图4SHFFxxqj例2 如图3所示,不计动滑轮质量和一切摩擦阻力,滑轮可看作质点。现用力牵引绳子,使物体匀速上升H,牵引过程中力与竖直方向的夹角始终保持不变。第一次保持夹角q1不变,F做功为W1;第二次保持夹角q2不变,F做功为W2,则(A)W1W2 (B)W1W2 (C)W1=W2 (D)无法判断分析与解:如图4,先作出任意夹角q时的情况,由图可知,物体上升H时,力F的作用点的位移为S,由力F做的功为:W=FScosj (*)由图中几何关系可知,S=2xcosq,x=H/cosq,又由于物体匀速上升,故物体处于平衡状态,由SF=0得:F=G/2cosq,把它们代入(*)得:W=GH,即力的功与q无关,故选C答案。当然,本题还可以从能量守恒的观点出发,直接得出C选项正确。S图5FFqAABS例3 如图5,一恒力F作用在绳子一端,绳子绕过物体右端的定滑轮另一端固定在墙上.当物体运动S的过程中,力F对物体做功多少?分析与解:从图中可看出,力F的作用点的位移为,它在力F方向上的投影为,由几何关系知:=S+Scosq,故所求功为:W=FS(1+cosq)。