ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 9 класс · § 33
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 33. Механическая работа. Мощность

Какая часть силы совершает работу и почему большая сила не всегда означает большую мощность?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Какая часть силы совершает работу и почему большая сила не всегда означает большую мощность?

Наблюдаем и объясняем

Угол силы и работа

Меняй угол между силой и перемещением. Посмотри, когда работа положительна, нулевая и отрицательна.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

50 Н
4 м
0 °
2 с

Сила постоянна, перемещение прямолинейно. Вычисляется работа выбранной силы и её средняя мощность, а не обязательно сумма по всем силам.

01

Работа: составляющая вдоль перемещения

Для постоянной силы работа A = FΔr cos α, где α — угол между силой и перемещением. В прямолинейной задаче без разворота Δr по модулю совпадает с путём участка. Перпендикулярная составляющая силы не даёт работы на этом перемещении.

Если сила меняется или путь искривлён, движение разбивают на малые участки и суммируют работы. Нельзя умножать произвольную переменную силу на весь путь без обоснования. В модели сила постоянна, а перемещение прямолинейно.

Работа постоянной силы

A = FΔr cos α

Вдоль перемещения

A = FΔr

Перпендикулярно

A = 0

Работу совершает составляющая силы вдоль перемещения.

Почему при переносе сумки горизонтально тяжесть не совершает работу?

Перемещение перпендикулярно силе тяжести. Это не означает отсутствия мышечной работы внутри человека.

02

Знак: передача энергии

При остром угле работа положительна, при тупом отрицательна, при 90° нулевая. Сила тяжести при движении вниз совершает положительную работу, при подъёме — отрицательную. Работа сопротивления при скольжении относительно неподвижной поверхности отрицательна.

Суммарная работа всех сил связана с изменением кинетической энергии. Отдельная отрицательная работа не означает, что тело обязательно остановится: одновременно могут действовать силы с положительной работой.

Знак: передача энергии: сравнение
УголЗнак работыПример
0°ПлюсТяга вдоль движения
90°НольНормальная сила при касательном движении
180°МинусСопротивление движению

Знак работы зависит от направления силы относительно перемещения.

Может ли сила действовать долго и не совершить механической работы?

Да, если точка приложения не перемещается в её направлении, например при удержании неподвижного груза.

Трактор во время вспашки

Работа тяги зависит от силы и перемещения, а мощность — ещё и от темпа совершения работы.

Kenneth Allen · CC BY-SA 2.0 · Источник. Без изменений.

Ветротурбина крупным планом

Ветротурбина преобразует часть энергии движущегося воздуха. Мощность характеризует передачу энергии за единицу времени.

Windkraftfan SH · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.

03

Мощность: работа за время

Средняя мощность Pср = A/Δt. Она показывает скорость передачи энергии работой. Единица — ватт: 1 Вт = 1 Дж/с. Для постоянной силы и постоянной скорости P = Fv cos α; при совпадении направлений P = Fv.

При F = 50 Н, перемещении 4 м вдоль силы и времени 2 с работа 200 Дж, средняя мощность 100 Вт. Такая же работа за 4 с соответствует 50 Вт. Мощность нельзя измерять в джоулях, а работу — в ваттах.

Мощность: работа за время: сравнение
ВеличинаВопросЕдиница
РаботаСколько энергии передано?Дж
МощностьКак быстро передаётся энергия?Вт
СилаКак действует одно тело на другое?Н

Мощность равна работе за единицу времени.

Можно ли по одной мощности определить полную работу?

Нужно ещё знать время и характер изменения мощности. При постоянной мощности A = Pt.

04

Сравнение: сила и скорость

При заданной полезной мощности и совпадающих направлениях F = P/v. Более высокая скорость требует меньшей силы тяги при той же мощности. Это помогает понять передачу движения механизмами, но при v = 0 простую формулу деления применять нельзя.

В интерактиве угол силы меняет работу при том же перемещении. При 90° работа и соответствующая средняя мощность нулевые; при 180° отрицательные, что означает отбор механической энергии рассматриваемой силой.

Угол

Измерить между силой и перемещением

Работа

Вычислить FΔr cos α

Мощность

Разделить работу на время

Выигрыш в силе при фиксированной мощности связан с уменьшением скорости.

Почему нельзя получить бесконечную силу из P/v при v = 0?

Формула описывает уже заданный режим передачи мощности. Реальное устройство имеет ограничения; при нулевой скорости механическая мощность Fv равна нулю для конечной силы.

Соберём главное

Шесть выводов

01Работу совершает составляющая силы вдоль перемещения.
02Знак работы зависит от направления силы относительно перемещения.
03Мощность равна работе за единицу времени.
04Выигрыш в силе при фиксированной мощности связан с уменьшением скорости.
05Для переменной силы работу находят по участкам или площади соответствующего графика.
06Суммарная работа равна сумме работ отдельных сил.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Работа постоянной силы при прямолинейном перемещении…
2. Если сила направлена по перемещению, работа…
3. Если сила перпендикулярна перемещению, работа…
4. Сила трения скольжения по неподвижной опоре обычно совершает работу…
5. При F = 50 Н и s = 4 м вдоль силы работа…
6. Средняя мощность…
7. При работе 200 Дж за 2 с средняя мощность…
8. Один ватт — это…
9. Мгновенная мощность силы…
10. Человек держит груз неподвижно. Механическая работа силы удержания над грузом…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 9 класс», § 33. Тема и содержание сверены с файлом «9 класс. Физика — § 33. Мощность.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…