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(通用)

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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(通用)

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 cosα,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 cosα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 cosα,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 cosα 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 cosα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90°<α<180°时,cosα<0 , 所以W<0 ,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o°<α<90°时,cosα>0 , 所以W>0 ,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α=90°时,cosα=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=3.6×1000000J 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,如电熨斗、电吹风、电热梳等;电取暖器具,如电热毯、热风器等这些用电器利用电流做功,产生电热,来为人类服务。电热符号为Q 单位为J 电热公式:(IUT只包含纯电阻电路)(电流的平方×电阻×通电时间 即电流×电压×通电时间)‎
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