高中物理 第五章 热力学定律 第1节 热力学第一定律 做功素材 鲁科版选修3-3.doc

做功做功是指能量由一种形式转化为另一种的形式的过程。做功的两个必要因素：作用在物体上的力和物体在力的方向上通过的距离。经典力学的定义：当一个力作用在物体上，并使物体在力的方向上通过了一段距离，力学中就说这个力对物体做了功。物理意义物体受外力作用，但静止不动例如一个人提着一桶水站着不动，或者用力推一辆静止的汽车但没有推动，由于这桶水或汽车的位移s=0，根据w=fs cos,这人所做的功w=0，尽管这个人费了很大力气，却没有做功，这点可从功的物理意义来理解，因为功是用来描写力f对物体作用的空间累积效应的，由于在力f作用的前后物体的运动状态或者说物体的能量没有发生相应的变化，那桶水或者那辆汽车仍旧在原地，力f对那桶水或者那辆汽车的作用效果为零，即力f对那桶水或者那辆汽车没有做功，w=0。这点要与人们通常说的做工或工作区分开来：物理上的功，仅用于描写力对物体的空间累积效应，是物体运动状态变化的一种量度，比做工或工作的含义要狭窄得多。位移与路程w=fs cos中s是位移，要与路程区别开来。例如，一个人从地面提起物体又放回原地，那么重力所做的功是多少呢？因为物体又放回原地了，物体位移的大小为零，所以w=0。要注意这里物体所走过的路程不为零。尽管物体曾经改变了运动状态（或者说能量状态），但最终物体回到了原来的运动状态，重力对物体作用的空间累积效应为零，没有改变物体的运动状态，即没有对物体做功。但要注意，有一种情况特别容易混淆：汽车沿直线走一个来回，位移的大小为零，那么根据公式w=fs cos，汽车发动机的动力所做的功是不是为零？从经验上我们就可以判断答案是否定的！错在那里呢？应当注意到汽车发动机动力的方向在汽车去和回当中发生了变化，我们应该把汽车的位移分解为去位移和回位移两段（注意合位移为零），分段应用公式w=fs cos求动力对汽车所做的功，再分别对两段位移的功求代数和，就会发现动力对汽车所做的功不为零，这说明应用公式w=fs cos计算功的大小时，要特别注意f在位移过程中方向应保持不变（实际上大小也不能变），前述例子提起物体又放回原地，在位移过程中重力的大小和方向保持不变。功有正负之分功是标量，不存在方向问题，但有正负之分，当90180时，cos0 , 所以w0 ，这就是力f做负功的情形。此时力f的方向或力f在位移方向的投影与物体运动的方向相反，力f是阻碍物体运动的力（力f也称为阻力），这时我们说力f对物体做负功，w取负值；或者说运动物体克服阻力做了功，这时w取绝对值。当o0 , 所以w0 ，这就是力f做正功的情形。此时力f的方向或力f在位移方向的投影与物体运动的方向相同，力f是推动物体运动的力（这时力f也称为动力），当=90时，cos=0 , 所以w=0 ，这说明与位移方向垂直的力不做功。例如一个物体在粗糙的水平面上匀速滑行，动力和摩擦力分别做正功和负功，重力和支持力所做的功为零。从牛顿第二定律来看，方向与物体位移方向相同的力使物体加速，方向与物体位移方向相反的力使物体减速，垂直于位移方向的力对于物体在该位移上的加速度没有影响，从功的观点来看，分别对应于正功、负功和零。变力所做的功我们知道的公式 w=fs 仅对做功过程中f大小和方向不变的情况下才是正确的，那么在做功过程中f的大小或方向是变化的情况下，功的大小应该如何计算？在这种情况下，中学阶段我们有四种方法解决变力做功问题一、平均值法：此法适用于力的方向不变，大小随位移（时间）成线性关系时，例如某个力f施加在物体上，f=kx，则w=（f1+f2）s/2。二、微元法：此法适用于力的大小不变，方向变化时，应将位移s细分为许多微小位移ds ，在每段 ds上可近似认为f的方向是不变的，这样f在这段ds上所做的功dw仍可表示为 dw=fds, 力在每段ds上所做的功dw累加起来就可得到f在整段位移s上所做的功w 。在大学阶段，常用微积分来解决变力做功问题，则在ds位移上，力f的大小和方向近似不变，积分可得变力所做的功三、等效替代法：此法适用于某变力所做的功和某个恒力的做的功相等时。四、图像法：画出f-s图像，则图像所包围的面积就是力所做的功，常用于力与位移成线性关系时。电流做功电流做功过程是电能转化为其他形式能的过程。电流做了多少功，就有多少电能转化成其他形式的能。电功的基本计算公式：电流通过一段导体所做的功等于这段导体两端的电压，通过导体的电流和通过时间的乘积。即w=uit.在国际单位中，电能电功的单位是焦耳，简称焦，用符号j表示；生活中的常用单位是千瓦时（kw.h),1kw.h=3.61000000j优秀自行车运动员长时间运动的功率约为70w，短时间运动的功率可达1kw上海桑塔纳牌小轿车功率约为66kw马拉车长时间的功率约为450w电流做功（电热）例如电灶、电饭锅、电烤炉等；电热水器，如电热杯、电咖啡壶、电水壶等；整洁美容电器，