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力学中的功的计算分析

力学中的功的计算分析

问题(1)分析:

小明用100N的水平力推动重300N的木箱在水平地面上做匀速直线运动,速度为2m/s,运动了5s。

  1. 受力与运动分析
  • 木箱做匀速直线运动,因此所受合力为零。
  • 在水平方向上:推力 F_push = 100N,摩擦力 f 与推力大小相等、方向相反,即 f = 100N。
  • 在竖直方向上:重力 G = 300N,地面对木箱的支持力 N 与重力大小相等、方向相反,即 N = 300N。
  1. 计算各力做的功
  • 先计算木箱在5s内移动的距离:s = v t = 2 m/s 5 s = 10 m

推力做的功:推力方向与位移方向相同。
W_push = F_push
s = 100 N * 10 m = 1000 J

摩擦力做的功:摩擦力方向与位移方向相反(夹角180°)。
W_f = f
s cos(180°) = 100 N 10 m * (-1) = -1000 J
(也可以说摩擦力做负功1000 J)

重力做的功:重力方向竖直向下,位移方向水平,两者垂直(夹角90°)。
W_G = G
s cos(90°) = 300 N 10 m * 0 = 0 J

支持力做的功:支持力方向竖直向上,与位移方向垂直(夹角90°)。
W_N = N
s cos(90°) = 300 N 10 m * 0 = 0 J

  1. 计算合力做的功
  • 方法一:合力为零,所以合力做功 W_net = 0 J。

* 方法二:各力做功的代数和。
Wnet = Wpush + Wf + WG + W_N = 1000 J + (-1000 J) + 0 J + 0 J = 0 J
(结果一致,也验证了动能定理:物体匀速运动,动能不变,合力做功为零。)

问题(2)分析:

小明用100N的力,方向斜向上与水平方向成37°角,拉动木箱在水平地面上移动了15m。

  1. 分析小明(拉力)做的功
  • 根据功的定义,力对物体所做的功等于力在物体位移方向上的分量与位移大小的乘积。
  • 拉力 F = 100 N,位移 s = 15 m,拉力与位移方向的夹角为 θ = 37°。

小明对木箱做的功(即拉力做的功)为:
W_F = F
s cosθ = 100 N 15 m cos37°。
(通常 cos37° ≈ 0.8)
W_F ≈ 100 N
15 m * 0.8 = 1200 J

  1. 分析木箱克服摩擦力做的功
  • 题目未明确说明木箱是否做匀速直线运动。在斜向上拉力的作用下,地面对木箱的支持力会发生变化(小于重力),因此摩擦力 f' = μ * N' 也会变化。
  • 木箱克服摩擦力做的功在数值上等于摩擦力对木箱所做的负功的绝对值
  • 如果题目隐含木箱仍在水平地面上做匀速直线运动(这是此类题目的常见假设),则可以进行如下计算:
  • 水平方向合力为零:F * cos37° = f'。
  • 竖直方向合力为零:N' + F sin37° = G,可得 N' = G - F sin37° = 300 N - 100 N * 0.6 = 240 N。
  • 摩擦力 f' = F cos37° = 100 N 0.8 = 80 N。
  • 摩擦力对木箱做的功:W_f' = f' s cos(180°) = 80 N 15 m (-1) = -1200 J。
  • 因此,木箱克服摩擦力做的功为 |W_f'| = 1200 J
  • 值得注意的是,在这种情况下,拉力做的功(1200 J)恰好全部用于克服摩擦力做功(1200 J),符合匀速运动时外力总功与阻力功平衡的规律。
  • 如果木箱不是做匀速运动,则无法直接计算摩擦力及其做功,需要额外的条件(如动摩擦因数、加速度等)。

参考答案

(1) 推力做功:1000 J;摩擦力做功:-1000 J;重力做功:0 J;支持力做功:0 J。合力做功:0 J。

(2) 小明对木箱做功:1200 J。
(在木箱做水平匀速直线运动的假设下)木箱克服摩擦力做功:1200 J。

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更新时间:2026-01-12 07:47:04

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