單個彈力可能做正功(例如升降機(jī)地板對物體的彈力,在其加速上升時做正功);可能不做功(在其加速度為零時不做功);可能做負(fù)功(在其以小于g的加速度加速下降時做負(fù)功)。如圖1所示。
單個滑動摩擦力可能做正功(例如物體A豎直落在沿光滑水平面運(yùn)動的物體B上,經(jīng)過一段時間后二者的水平速度達(dá)到一致,此過程中滑動摩擦力對A做正功);可能不做功(在滑動摩擦力作用下,物體C沿水平地面以一定初速度運(yùn)動最后停止,地面所受到的滑動摩擦力不做功);可能做負(fù)功(物體B和C所受到的滑動摩擦力均做負(fù)功)。如圖2所示。
單個靜摩擦力可能做正功(例在施加于B物體上的水平拉力F作用下,疊放在B上的物體A相對B靜止,與B一起做勻速運(yùn)動時,靜摩擦力對A做正功);可能不做功(例推箱子而未動,靜摩擦力不做功);可能做負(fù)功(前例中,靜摩擦力對物體B做負(fù)功)。如圖3所示。
明確了單個彈力、摩擦力的做功情況,一對相互作用的彈力、摩擦力的合功情況如何呢?此合功所對應(yīng)的能量變化特點(diǎn)又是什么呢?下面我們用實(shí)例分析。
1. 一對滑動摩擦力的合功
例1. 使小物體m由靜止開始沿傾角為的傳送帶,由A點(diǎn)滑至B點(diǎn)(A、B是兩個轉(zhuǎn)輪與傳送帶相切的點(diǎn))。第一次傳送帶靜止不動,第二次傳送帶按順時針方向勻速運(yùn)動,則兩次相比較產(chǎn)生熱量的關(guān)系如何?兩次滑動摩擦力的合功分別為正還是負(fù)?
解析:摩擦力做功,而生熱量,兩次L相不同,因而生熱量不同,第二次生熱多。除此之外作用在傳送帶上的摩擦力要對傳送帶做負(fù)功,這樣摩擦力又從傳送帶處剝奪了一份機(jī)械能,一對滑動摩擦力做功之和的結(jié)果,是剝奪了更多的機(jī)械能,因而生熱量加大。兩次合功均為負(fù)。
綜合以上分析,可見:一對滑動摩擦力做功之和為負(fù)功包含三種可能性,一是兩個滑動摩擦力一個做正功,一個做負(fù)功,但負(fù)功的數(shù)值大于正功的數(shù)值;二是兩個摩擦力都做負(fù)功;三是一個滑動摩擦力做負(fù)功,另一個滑動摩擦力不做功。由于有滑動摩擦力存在時必然生熱,因此兩個滑動摩擦力均做負(fù)功,或一個做正功,一個做負(fù)功,但正功數(shù)值小于負(fù)功數(shù)值,以致一對滑動摩擦力做功之和為正功的情況絕不可能出現(xiàn)。
2. 一對靜摩擦力的合功
靜摩擦力存在于無相對運(yùn)動的條件之下,因此對于系統(tǒng)來說,一定存在相對位移L相為零的條件,因此,一對靜摩擦力的做功和為零,在僅有靜摩擦力作用時,無熱量產(chǎn)生。
一對靜摩擦力做功之和為零包含兩種情況:一是每個靜摩擦力都不做功(例推箱子而未動,靜摩擦力對箱子、對地面均不做功),這種情況不僅沒有機(jī)械能的損失(不生熱),而且沒有機(jī)械能的轉(zhuǎn)移。二是兩個靜摩擦力一個做正功,一個做負(fù)功,但數(shù)值相等,其和為零。這種情況沒有機(jī)械能的損失(不生熱),但有機(jī)械能的轉(zhuǎn)移。
3. 一對彈力的合功
彈力方向垂直接觸面;如果彈力做功,位移方向必然有垂直接觸面的分量;如物體有垂直接觸面上的相對位移,則必然是脫離接觸,彈力消失,談不到彈力的做功問題;因此只要彈力做功,便不可能有垂直接觸面的相對位移,即兩彈力做功的位移必然相等,所以一對彈力的做功和必然為零。
一對彈力的做功和必然為零,包含著有兩種情況,一是兩個彈力都不做功(例如在圖1所示情況中,升降機(jī)靜止不動,則物體和升降機(jī)之間的相互作用彈力均不做功);二是兩個彈力中一個做正功,一個做負(fù)功,正、負(fù)功數(shù)值相等,合功為零(例如升降機(jī)向上運(yùn)動,彈力對物體做正功,對升降機(jī)做負(fù)功,做功的結(jié)果是使升降機(jī)的部分機(jī)械能轉(zhuǎn)移到物體上來)。
例2. 輕繩一端固定,另一端拴一小球,小球靠在斜面上,用力推斜面向左運(yùn)動,在輕繩由豎直位置轉(zhuǎn)到與斜面平行的位置的過程中,斜面彈力對小球做什么功?
解析:小球?qū)π泵娴膹椓︼@而易見對斜面做負(fù)功,由一對彈力做功和為零,可知彈力對小球做正功。
總結(jié)上述內(nèi)容,我們可以得出以下結(jié)論:
1. 單個彈力、摩擦力(滑動摩擦力,靜摩擦力)的做功情況是多樣的(正功、負(fù)功、零),一對彈力、摩擦力(滑動摩擦力、靜摩擦力)的做功之和是確定的(一對滑動摩擦力的合功肯定為負(fù),一對彈力或靜摩擦力的合功肯定為零)。
2. 單個彈力、摩擦力(滑動摩擦力、靜摩擦力)的功影響單個物體的機(jī)械能的變化,一對彈力、摩擦力(滑動摩擦力、靜摩擦力)的合功影響整個系統(tǒng)的機(jī)械能的變化。
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