高中物理第4章机械能和能源第1节功课件粤教版必修2
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第三页,共42页。
3.功的计算 (1)力和物体位移方向一致时,W= Fs . (2)力与物体位移方向的夹角为 α 时,W=Fscosα,即力对物体所做的功等 力的于大小(位dà移、xiǎ(wo)èiyí)的以大及小力和位移夹余角的弦(yúx的iá乘n)积. (3)功的单位为焦耳,符号 J. 1 J 等于 1 N 的力使物体在力的方向上发生 1 m 的位移时所做的功.即 1 J =1 N·m. (4)功是标量,但有正、负之分. (5)适用条件:在用公式 W=Fscos α 计算力 F 做的功时,F 应为恒力.
图 4-1-1 【提示】 甲图和丁图中人对物体做了功,乙图和丙图中人对物体不做 功.物体受到力的作用和在力的方向上发生位移是做功的两个必要因素.
第六页,共42页。
[合作探讨] 如图 4-1-2 所示,人拉着小车沿水平面匀速前进了一段距离.
图 4-1-2
第七页,共42页。
探讨 1:人对小车做的功是否等于拉力和位移的乘积? 【提示】 不等于.因为 W=F·scos α. 探讨 2:拉力 F 一般分解为哪两个分力?F 做的功与哪个分力做的功相同? 【提示】 拉力可以分解为沿水平方向和竖直方向的两个分力.F 做的功与 水平方向分力做的功相同.
【导学号:35390057】
图 4-1-8
第二十六页,共42页。
【解析】 (1)拉力 F 对物体所做的功为 WF=FLcos 0°=50×2×1 J=100 J 拉力 F 对物体做正功. (2)重力 mg 对物体所做的功为 WG=mgLcos(90°+α)=-mgLsin α =-2×10×2×12 J=-20 J “负号”表示物体克服重力做功.
第三十二页,共42页。
求变力的功
[合作探讨] 探讨 1:求变力功的常见方法有哪些? 【提示】 平均值法、图象法、分段法(或微元法)、等效替换法等. 探讨 2:在 F-s 图像中,面积的意义是什么? 【提示】 F-s 图线所包围的面积表示变力的功.
第三十三页,共42页。
[核心点击] 1.在 F-s 图象中,“面积”的意义 利用 F-s 位移图象可求功.如图 4-1-10(1)所示表示恒力的 F-s 位移图象, 纵坐标表示力 F 在位移方向上的分量,功 W 的数值等于直线下方画有斜线部分 的面积.如图 4-1-10(2)所示表示变力 F-s 图象,曲线下方画有斜线部分的面积 就表示变力所做的功.
第八页,共42页。
[核心点击] 1.做功需要两个必备因素 (1)做功具有两个必不可少的因素: ①做功的力;②物体在力的方向上的位移. (2)力对物体是否做了功,只与这两个因素有关,只有两者都不为零,力才 对物体做了功,并且功的大小等于力与物体在力的方向上的位移的乘积.
第九页,共42页。
2.对功的公式 W=Fscos α 的理解 (1)对公式中“scos α”和“Fcos α”的理解 ①W=F·scos α,scos α 是位移 s 在力 F 方向上的分量,即从分解位移方面去 理解. ②W=Fcos α·s,Fcos α 是力 F 在位移 s 方向上的分量,即从分解力方面去 理解. (2)公式的适用条件 公式中的 F 一定是恒力(大小、方向都不变),即此式是求恒力做功的公式.若 是变力,中学阶段一般不用此式求功.
第四页,共42页。
[再判断] 1.物体受到力的作用,而且还通过了一段位移,则此力一定做了功.(×) 2.物体只要受力且运动,该力就一定做功.(×) 3.公式 W=Fs 中的 s 是指物体在力的方向上通过的位移.(√)
第五页,共42页。
[后思考] 如图 4-1-1 所示,人对物体做功的有哪些?做功与否与哪些因素有关呢?
图 4-1-9
第二十九页,共42页。
【解析】 解法一:先求各力做的功,再求总功 拉力 F 对物体所做的功为 W1=Flcos 37°=10×2×0.8 J=16 J 摩擦力 f 对物体所做的功为: W2=flcos 180°=-4.2×2 J=-8.4 J 由于重力、支持力对物体不做功,故外力对物体所做的总功 W 等于 W1 和 W2 的代数和 所以:W=W1+W2=7.6 J.
第十页,共42页。
1.如图 4-1-3 所示,下列过程中人对物体做了功的是( )
图 4-1-3 A.小华用力推石头,但没有推动 B.小明举起杠铃后,在空中停留 3 秒的过程中 C.小红提着书包,随电梯一起匀速上升的过程中 D.小陈将冰壶推出后,冰壶在水平冰面上滑行了 5 米的过程中
第十一页,共42页。
π2<α≤π cos α<0 W<0,力做负功 做功的力是阻力
第十八页,共42页。
2.总功的计算 (1)方法一:几个力对物体做的总功等于各个力分别对物体做功的 代数和,
即 W 总=W1+W2+W3+…+Wn . (2)方法二:求几个力的总功时,也可以先求这几个力合的力(hé,lì再) 应用功的
定义式求合外力做的功,即为总功.W 合= F合·lcos α
第三十四页,共42页。
图 4-1-10
第三十五页,共42页。
2.求变力功的方法 (1)平均值法:当力 F 的大小发生变化,但 F、s 成线性关系时,可以代入 F 的平均值计算 F 做的功. (2)图象法:变力的功 W 可用 F s 图线中所包围的面积表示.s 轴上方的 面积表示力对物体做的正功多少,s 轴下方的面积表示力对物体做的负功多少.
【解析】 A、B 选项所述情景中,位移都为零,D 中冰壶滑行时,不受人 的推力,故人对物体不做功,只有 C 选项所述情景,人对物体做功.
【答案】 C
第十二页,共42页。
2.(2016·海滨区高一检测)如图 4-1-4 所示,一物块在与水平方向成 θ 角的 拉力 F 的作用下,沿水平面向右运动一段距离 l.则在此过程中,拉力 F 对物块 所做的功为( )
第二十七页,共42页。
(3)摩擦力 f 对物体做的功为
Wf=f·Lcos 180°=-μmgLcos α
=-0.2×2×10×2×
3 2
J=-4
3J
“负号”表示物体克服摩擦力做功,或说摩擦力是阻力.
(4)支持力 N 对物体做的功为
WN=NLcos 90°=0 J 表示支持力对物体不做功.
【答案】 拉力做功 100 J 重力做功-20 J
第二十三页,共42页。
[核心点击] 1.正功、负功的物理意义 功的正、负由力和位移之间的夹角决定,所以功的正负不表示方向,而只 能说明做功的力对物体来说是动力还是阻力.
第二十四页,共42页。
2.几个力的总功的求法 由合力与分力的等效替代关系知,合力与分力做功也是可 以等效替代的,因此计算总功的方法有两种: (1)先求物体所受的合力,再根据公式 W 合=F 合scos α 求合力的功. (2)先根据 W=Fscos α,求每个分力做的功 W1、W2…Wn,再根据 W 合=W1 +W2+…+Wn,求合力的功.即合力做的功等于各个力做功的代数和.
图 4-1-11
摩擦力做功-4 3 J 支持力做功 0 J
第二十八页,共42页。
5.(2016·德阳高一检测)一个质量 m=2 kg 的物体,受到与水平方向成 37° 角斜向上方的力 F=10 N 作用,在水平地面上移动的距离 l=2 m,物体与地面 间的滑动摩擦力 f=4.2 N,求外力对物体所做的总功.(cos 37°=0.8,sin 37°= 0.6)
第二十一页,共42页。
[合作探讨] 如图 4-1-7 所示,坐在雪橇上的人与雪橇的总质量为 m,在与水平面成 θ 角 的恒定拉力 F 作用下,沿水平地面向右移动了一段距离 l.
图 4-1-7
第二十二页,共42页。
探讨 1:雪橇所受的重力、支持力是否做功?
【提示】 重力、支持力和位移方向垂直,故不做功. 探讨 2:拉力 F 做什么功?地面对雪橇的摩擦力做什么功? 【提示】 拉力 F 做正功.摩擦力做负功. 探讨 3:雪橇做匀加速运动,合力做什么功?雪橇做匀减速运动,合力做什 么功? 【提示】 雪橇做匀加速运动,合力做正功. 雪橇做匀减速运动,合力做负功.
【答案】 B
第十四页,共42页。
3.质量为 m 的物体,在水平拉力 F 作用下第一次沿粗糙水平面匀速移动距 离为 l,第二次用同样大小的力 F 平行于光滑斜面拉物体,斜面固定,使物体沿 斜面加速移动的距离也是 l.设第一次 F 对物体做的功为 W1,第二次对物体做的 功为 W2,则( )
A.W1=W2 C.W1>W2
知
知
识
识
点
点
一
三
学
业
第一节 功
(
x
知
u
识
é
点
y
二
è)
分
层
测
评
第一页,共42页。
学习目标 1.理解功的概念,知道做功的两个 因素. 2.知道功是标量,会用功的公式进 行计算. 3.理解正功、负功的含义,会计算 多个力的总功.(重点、难点)
知识脉络
第二页,共42页。
功及功的计算
[先填空] 1.功的定义 一个物体受到力的作用,并使物体在 力的方向上(发fān生g一xià段n位g)移,这个力对 物体做了机械功,简称功. 2.做功的两个因素 力和在力的方向上发生位的移(wè,iy是í)做功的两个要素.
图 4-1-5 B.W1<W2 D.无法确定
第十五页,共42页。
【解析】 由题意可知 W=Fl,力 F 对物体所做的功 W 只与 F、l 有关,与 物体的运动情况及接触面的粗糙程度等均无关,故答案选 A.
【答案】 A
第十六页,共42页。
应用功的公式应注意的问题 (Fra bibliotek)计算功时首先应明确要求的是哪一个力的功,物体所受的各个力做功时 互不影响. (2)求功时物体的位移应相对于某一惯性参考系,要注意力与位移的对应性 和同时性.
【导学号:35390056】
A.Fl C.Flsin θ
图 4-1-4 B.Flcos θ D.Fltan θ
第十三页,共42页。
【解析】 根据题意可知,恒力 F 与物体的向右的水平位移之间的夹角为 θ, 由功的定义式 W=Flcos α 可得,拉力 F 对物块所做的功为 Flcos θ,选项 B 正确, 其他选项均不正确.
第二十五页,共42页。
4.(2016·烟台高一检测)如图 4-1-8 所示,在平行于斜面向上的 F=50 N 的 拉力作用下,使质量为 m=2 kg 的物体沿着长为 L=2 m,倾角为 α=30°的斜面 从底端向上滑到顶端,物体与斜面间的动摩擦因数为 μ=0.2,分别求作用在物 体上的各力对物体所做的功(g 取 10 m/s2).
.
第十九页,共42页。
[再判断] 1.因为功有正、负,所以功是矢量.(×) 2.力 F1 做功 10 J,F2 做功-15 J,力 F1 比 F2 做功少.(√) 3.合力做的总功一定大于各个力做的功.(×)
第二十页,共42页。
[后思考]
图 4-1-6 高速列车出站时加速,进站后减速,这两个过程合外力分别做什么功? 【提示】 加速出站时,合外力方向与位移方向一致,合外力做正功;减 速进站时,合外力方向与位移方向相反,合外力是阻力,所以合外力做负功.
第三十页,共42页。
解法二:先求合力,再求总功 物体受到的合力为 F 合=Fcos 37°-f=10×0.8 N-4.2 N=3.8 N 所以 W=F 合l=3.8×2 J=7.6 J. 【答案】 7.6 J
第三十一页,共42页。
灵活选择求合力功的两种方法 (1)如果物体处于平衡状态或某一方向受力平衡(合力等于零),或者物体在某 一方向上做匀变速直线运动(合力等于 ma),先求合力再求功的方法更简捷.先 求合力的方法仅适用于几个力同时作用于物体上,且它们均不发生变化的情况. (2)如果已知物体所受的力之中有的不做功,有的做功且方便求得该力的功 (如重力功)时,选择 W 合=W1+W2+…+Wn 简单方便.求各力做功的代数和的 方法,不管是几个力同时作用,还是作用时间有先后均适用.
第十七页,共42页。
正 功、 负 功 及 总 功
[先填空]
1.正功和负功
α 的取值 0≤α<π2
cos α
功的正负
cos α>0 W>0,力做正功
物理意义 做功的动力是力(dòn(选glì填) “动力” 或“阻力”,下同)
α=π2 cos α=0 W=不0,做力功(zuògōn力g)既动不力是 (dòn,g也lì)不是阻力
3.功的计算 (1)力和物体位移方向一致时,W= Fs . (2)力与物体位移方向的夹角为 α 时,W=Fscosα,即力对物体所做的功等 力的于大小(位dà移、xiǎ(wo)èiyí)的以大及小力和位移夹余角的弦(yúx的iá乘n)积. (3)功的单位为焦耳,符号 J. 1 J 等于 1 N 的力使物体在力的方向上发生 1 m 的位移时所做的功.即 1 J =1 N·m. (4)功是标量,但有正、负之分. (5)适用条件:在用公式 W=Fscos α 计算力 F 做的功时,F 应为恒力.
图 4-1-1 【提示】 甲图和丁图中人对物体做了功,乙图和丙图中人对物体不做 功.物体受到力的作用和在力的方向上发生位移是做功的两个必要因素.
第六页,共42页。
[合作探讨] 如图 4-1-2 所示,人拉着小车沿水平面匀速前进了一段距离.
图 4-1-2
第七页,共42页。
探讨 1:人对小车做的功是否等于拉力和位移的乘积? 【提示】 不等于.因为 W=F·scos α. 探讨 2:拉力 F 一般分解为哪两个分力?F 做的功与哪个分力做的功相同? 【提示】 拉力可以分解为沿水平方向和竖直方向的两个分力.F 做的功与 水平方向分力做的功相同.
【导学号:35390057】
图 4-1-8
第二十六页,共42页。
【解析】 (1)拉力 F 对物体所做的功为 WF=FLcos 0°=50×2×1 J=100 J 拉力 F 对物体做正功. (2)重力 mg 对物体所做的功为 WG=mgLcos(90°+α)=-mgLsin α =-2×10×2×12 J=-20 J “负号”表示物体克服重力做功.
第三十二页,共42页。
求变力的功
[合作探讨] 探讨 1:求变力功的常见方法有哪些? 【提示】 平均值法、图象法、分段法(或微元法)、等效替换法等. 探讨 2:在 F-s 图像中,面积的意义是什么? 【提示】 F-s 图线所包围的面积表示变力的功.
第三十三页,共42页。
[核心点击] 1.在 F-s 图象中,“面积”的意义 利用 F-s 位移图象可求功.如图 4-1-10(1)所示表示恒力的 F-s 位移图象, 纵坐标表示力 F 在位移方向上的分量,功 W 的数值等于直线下方画有斜线部分 的面积.如图 4-1-10(2)所示表示变力 F-s 图象,曲线下方画有斜线部分的面积 就表示变力所做的功.
第八页,共42页。
[核心点击] 1.做功需要两个必备因素 (1)做功具有两个必不可少的因素: ①做功的力;②物体在力的方向上的位移. (2)力对物体是否做了功,只与这两个因素有关,只有两者都不为零,力才 对物体做了功,并且功的大小等于力与物体在力的方向上的位移的乘积.
第九页,共42页。
2.对功的公式 W=Fscos α 的理解 (1)对公式中“scos α”和“Fcos α”的理解 ①W=F·scos α,scos α 是位移 s 在力 F 方向上的分量,即从分解位移方面去 理解. ②W=Fcos α·s,Fcos α 是力 F 在位移 s 方向上的分量,即从分解力方面去 理解. (2)公式的适用条件 公式中的 F 一定是恒力(大小、方向都不变),即此式是求恒力做功的公式.若 是变力,中学阶段一般不用此式求功.
第四页,共42页。
[再判断] 1.物体受到力的作用,而且还通过了一段位移,则此力一定做了功.(×) 2.物体只要受力且运动,该力就一定做功.(×) 3.公式 W=Fs 中的 s 是指物体在力的方向上通过的位移.(√)
第五页,共42页。
[后思考] 如图 4-1-1 所示,人对物体做功的有哪些?做功与否与哪些因素有关呢?
图 4-1-9
第二十九页,共42页。
【解析】 解法一:先求各力做的功,再求总功 拉力 F 对物体所做的功为 W1=Flcos 37°=10×2×0.8 J=16 J 摩擦力 f 对物体所做的功为: W2=flcos 180°=-4.2×2 J=-8.4 J 由于重力、支持力对物体不做功,故外力对物体所做的总功 W 等于 W1 和 W2 的代数和 所以:W=W1+W2=7.6 J.
第十页,共42页。
1.如图 4-1-3 所示,下列过程中人对物体做了功的是( )
图 4-1-3 A.小华用力推石头,但没有推动 B.小明举起杠铃后,在空中停留 3 秒的过程中 C.小红提着书包,随电梯一起匀速上升的过程中 D.小陈将冰壶推出后,冰壶在水平冰面上滑行了 5 米的过程中
第十一页,共42页。
π2<α≤π cos α<0 W<0,力做负功 做功的力是阻力
第十八页,共42页。
2.总功的计算 (1)方法一:几个力对物体做的总功等于各个力分别对物体做功的 代数和,
即 W 总=W1+W2+W3+…+Wn . (2)方法二:求几个力的总功时,也可以先求这几个力合的力(hé,lì再) 应用功的
定义式求合外力做的功,即为总功.W 合= F合·lcos α
第三十四页,共42页。
图 4-1-10
第三十五页,共42页。
2.求变力功的方法 (1)平均值法:当力 F 的大小发生变化,但 F、s 成线性关系时,可以代入 F 的平均值计算 F 做的功. (2)图象法:变力的功 W 可用 F s 图线中所包围的面积表示.s 轴上方的 面积表示力对物体做的正功多少,s 轴下方的面积表示力对物体做的负功多少.
【解析】 A、B 选项所述情景中,位移都为零,D 中冰壶滑行时,不受人 的推力,故人对物体不做功,只有 C 选项所述情景,人对物体做功.
【答案】 C
第十二页,共42页。
2.(2016·海滨区高一检测)如图 4-1-4 所示,一物块在与水平方向成 θ 角的 拉力 F 的作用下,沿水平面向右运动一段距离 l.则在此过程中,拉力 F 对物块 所做的功为( )
第二十七页,共42页。
(3)摩擦力 f 对物体做的功为
Wf=f·Lcos 180°=-μmgLcos α
=-0.2×2×10×2×
3 2
J=-4
3J
“负号”表示物体克服摩擦力做功,或说摩擦力是阻力.
(4)支持力 N 对物体做的功为
WN=NLcos 90°=0 J 表示支持力对物体不做功.
【答案】 拉力做功 100 J 重力做功-20 J
第二十三页,共42页。
[核心点击] 1.正功、负功的物理意义 功的正、负由力和位移之间的夹角决定,所以功的正负不表示方向,而只 能说明做功的力对物体来说是动力还是阻力.
第二十四页,共42页。
2.几个力的总功的求法 由合力与分力的等效替代关系知,合力与分力做功也是可 以等效替代的,因此计算总功的方法有两种: (1)先求物体所受的合力,再根据公式 W 合=F 合scos α 求合力的功. (2)先根据 W=Fscos α,求每个分力做的功 W1、W2…Wn,再根据 W 合=W1 +W2+…+Wn,求合力的功.即合力做的功等于各个力做功的代数和.
图 4-1-11
摩擦力做功-4 3 J 支持力做功 0 J
第二十八页,共42页。
5.(2016·德阳高一检测)一个质量 m=2 kg 的物体,受到与水平方向成 37° 角斜向上方的力 F=10 N 作用,在水平地面上移动的距离 l=2 m,物体与地面 间的滑动摩擦力 f=4.2 N,求外力对物体所做的总功.(cos 37°=0.8,sin 37°= 0.6)
第二十一页,共42页。
[合作探讨] 如图 4-1-7 所示,坐在雪橇上的人与雪橇的总质量为 m,在与水平面成 θ 角 的恒定拉力 F 作用下,沿水平地面向右移动了一段距离 l.
图 4-1-7
第二十二页,共42页。
探讨 1:雪橇所受的重力、支持力是否做功?
【提示】 重力、支持力和位移方向垂直,故不做功. 探讨 2:拉力 F 做什么功?地面对雪橇的摩擦力做什么功? 【提示】 拉力 F 做正功.摩擦力做负功. 探讨 3:雪橇做匀加速运动,合力做什么功?雪橇做匀减速运动,合力做什 么功? 【提示】 雪橇做匀加速运动,合力做正功. 雪橇做匀减速运动,合力做负功.
【答案】 B
第十四页,共42页。
3.质量为 m 的物体,在水平拉力 F 作用下第一次沿粗糙水平面匀速移动距 离为 l,第二次用同样大小的力 F 平行于光滑斜面拉物体,斜面固定,使物体沿 斜面加速移动的距离也是 l.设第一次 F 对物体做的功为 W1,第二次对物体做的 功为 W2,则( )
A.W1=W2 C.W1>W2
知
知
识
识
点
点
一
三
学
业
第一节 功
(
x
知
u
识
é
点
y
二
è)
分
层
测
评
第一页,共42页。
学习目标 1.理解功的概念,知道做功的两个 因素. 2.知道功是标量,会用功的公式进 行计算. 3.理解正功、负功的含义,会计算 多个力的总功.(重点、难点)
知识脉络
第二页,共42页。
功及功的计算
[先填空] 1.功的定义 一个物体受到力的作用,并使物体在 力的方向上(发fān生g一xià段n位g)移,这个力对 物体做了机械功,简称功. 2.做功的两个因素 力和在力的方向上发生位的移(wè,iy是í)做功的两个要素.
图 4-1-5 B.W1<W2 D.无法确定
第十五页,共42页。
【解析】 由题意可知 W=Fl,力 F 对物体所做的功 W 只与 F、l 有关,与 物体的运动情况及接触面的粗糙程度等均无关,故答案选 A.
【答案】 A
第十六页,共42页。
应用功的公式应注意的问题 (Fra bibliotek)计算功时首先应明确要求的是哪一个力的功,物体所受的各个力做功时 互不影响. (2)求功时物体的位移应相对于某一惯性参考系,要注意力与位移的对应性 和同时性.
【导学号:35390056】
A.Fl C.Flsin θ
图 4-1-4 B.Flcos θ D.Fltan θ
第十三页,共42页。
【解析】 根据题意可知,恒力 F 与物体的向右的水平位移之间的夹角为 θ, 由功的定义式 W=Flcos α 可得,拉力 F 对物块所做的功为 Flcos θ,选项 B 正确, 其他选项均不正确.
第二十五页,共42页。
4.(2016·烟台高一检测)如图 4-1-8 所示,在平行于斜面向上的 F=50 N 的 拉力作用下,使质量为 m=2 kg 的物体沿着长为 L=2 m,倾角为 α=30°的斜面 从底端向上滑到顶端,物体与斜面间的动摩擦因数为 μ=0.2,分别求作用在物 体上的各力对物体所做的功(g 取 10 m/s2).
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第十九页,共42页。
[再判断] 1.因为功有正、负,所以功是矢量.(×) 2.力 F1 做功 10 J,F2 做功-15 J,力 F1 比 F2 做功少.(√) 3.合力做的总功一定大于各个力做的功.(×)
第二十页,共42页。
[后思考]
图 4-1-6 高速列车出站时加速,进站后减速,这两个过程合外力分别做什么功? 【提示】 加速出站时,合外力方向与位移方向一致,合外力做正功;减 速进站时,合外力方向与位移方向相反,合外力是阻力,所以合外力做负功.
第三十页,共42页。
解法二:先求合力,再求总功 物体受到的合力为 F 合=Fcos 37°-f=10×0.8 N-4.2 N=3.8 N 所以 W=F 合l=3.8×2 J=7.6 J. 【答案】 7.6 J
第三十一页,共42页。
灵活选择求合力功的两种方法 (1)如果物体处于平衡状态或某一方向受力平衡(合力等于零),或者物体在某 一方向上做匀变速直线运动(合力等于 ma),先求合力再求功的方法更简捷.先 求合力的方法仅适用于几个力同时作用于物体上,且它们均不发生变化的情况. (2)如果已知物体所受的力之中有的不做功,有的做功且方便求得该力的功 (如重力功)时,选择 W 合=W1+W2+…+Wn 简单方便.求各力做功的代数和的 方法,不管是几个力同时作用,还是作用时间有先后均适用.
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正 功、 负 功 及 总 功
[先填空]
1.正功和负功
α 的取值 0≤α<π2
cos α
功的正负
cos α>0 W>0,力做正功
物理意义 做功的动力是力(dòn(选glì填) “动力” 或“阻力”,下同)
α=π2 cos α=0 W=不0,做力功(zuògōn力g)既动不力是 (dòn,g也lì)不是阻力