动能定理 · 功的账本

变力做功追踪器

一辆小车被压缩的弹簧推出去。弹簧力越来越小,这笔功该怎么算?把每一项能量的去向逐笔记下来。

压缩的弹簧

先卡一下:力在变,不能只抓住一个力值

小车从静止或带着初速度出发,弹簧由压缩逐渐恢复原长。开始时弹簧推得最猛,后来越推越轻。若把最大弹力乘上压缩量,会把一路变小的那段力也当成最大力,账就算大了。

用动能定理反查:W弹簧 = ΔEₖ − W重力 − W摩擦

压缩量 x

动手记账

拖动参数。这里取小车最终位置比初始位置高 h,摩擦力做功通常为负值。

小车的行程单

功的账本

这一笔怎么算结果
动能变化 ΔEₖ½m(v²−v₀²)
重力做功 W重力−mgh
摩擦力做功 W摩擦已知
反求弹簧做功 W弹簧ΔEₖ−W重力−W摩擦

把“变”画出来 橙色面积 = W弹簧

理想弹簧从压缩量 x 回到 0 时,弹力由最大值线性减小到 0;做功是曲线下的面积,不是拿最大力直接乘 x。

图像面积(正确)
最大力 × x(会高估)

先判断

弹簧推动小车时,弹簧力从最大逐渐减小。用“最大弹力 × 压缩量”直接作为弹簧做功,可靠吗?

收束一下:恒力做功可以写成 W = Fs;变力做功要看力怎样随位置改变。若不好直接求图像面积,就把它和其他力一起放进动能定理,用“总功等于动能变化”反求。