При каких условиях работа силы положительная отрицательная равна нулю кратко

Обновлено: 16.05.2024

Положительная и отрицательная работа

Совершенная работа может быть положительной и отрицательной.

Если перемещение совпадает с направлением действия силы, то сила помогает движению. Это правило действует и в том случае, если угол между вектором перемещения и силой меньше 90 0 . В названных случаях совершенную работу считают положительной.

Если сила препятствует движению и ее направление противоположно перемещению или угол между силой и перемещением тупой, произведенную работу считают отрицательной. Например, сила трения всегда совершает отрицательную работу.

При бросании мяча вверх сила тяжести направлена против движения, то есть препятствует ему. Следовательно, сила тяжести совершает отрицательную работу.

При падении мяча направление силы тяжести и направление движения мяча совпадают, значит сила тяжести совершает положительную работу.

Работа — не волк! А еще и не мощность и не энергия. В этой статье разберемся, что же такое механическая работа в физике, а помогут нам в этом древнегреческие мифы.

О чем эта статья:

Например, нам нужно поднять велосипед по лестнице в квартиру. Тогда работа будет определяться тем, сколько весит велосипед и на каком этаже (на какой высоте) находится квартира.

Механическая работа — это физическая величина, прямо пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути.

Чтобы рассчитать работу, нам необходимо умножить численное значение приложенной к телу силы F на путь, пройденный телом в направлении действия силы S. Работа обозначается латинской буквой А.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

S — путь [м]

Если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа в 1 джоуль.

Поскольку сила и путь — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает вид.

Механическая работа

А = FScosα

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

S — путь [м]

α — угол между векторами силы и перемещения [°]

Числовое значение работы может становиться отрицательным, если вектор силы противоположен вектору скорости. Иными словами, сила может не только придавать телу скорость для совершения движения, но и препятствовать уже совершаемому перемещению. В таком случае сила называется противодействующей.

Для совершения работы необходимы два условия:

Сила, действующая на тело, может и не совершать работу. Например, если кто-то безуспешно пытается сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, с которой человек действует на шкаф, не совершает работу, поскольку перемещение шкафа равно нулю.

при приложенной силе перемещение отсутствует;
сила не приложена и тело перемещается по инерции;
угол между векторами силы и перемещения равен 90°.

Полезная и затраченная работа

Чтобы разобраться в понятиях полезной и затраченной работы, давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень больше не скатывается с горы, а КПД перестал быть нулевым.

Полезная работа в этом случае равна потенциальной энергии, приобретенной булыжником. Потенциальная энергия, в свою очередь, прямо пропорциональна высоте: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. Выходит, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше полезная работа.

Потенциальная энергия

Е_п = mgh

m — масса тела [кг]

g — ускорение свободного падения [м/с 2 ]

h — высота [м]

На планете Земля g ≈ 9,8 м/с 2

Затраченная работа в нашем примере — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

Механическая работа

А = FS

A — механическая работа [Дж]

F — приложенная сила [Н]

S — путь [м]

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

За счет чего происходит процесс?

Ради какого результата?

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы).

Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

Мощность

На заводах по всему миру большинство задач выполняют машины. Например, если нам нужно закрыть крышечками тысячу банок колы, аппарат сделает это в считанные минуты. У человека эта задача заняла бы намного больше времени. Получается, что машина и человек выполняют одинаковую работу за разные промежутки времени. Для того, чтобы описать скорость выполнения работы, нам потребуется понятие мощности.

Мощностью называется физическая величина, равная отношению работы ко времени ее выполнения.

Мощность

N = A/t

N — мощность [Вт]

A — механическая работа [Дж]

t — время [с]

Один ватт — это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду.

Также для мощности справедлива другая формула:

Мощность

N = Fv

N — мощность [Вт]

F — приложенная сила [Н]

v — скорость [м/с]

Как и для работы, для мощности справедливо правило знаков: если векторы направлены противоположно, значение мощности будет отрицательным.

Поскольку сила и скорость — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает следующий вид:

Мощность

N = Fvcosα

N — мощность [Вт]

F — приложенная сила [Н]

v — скорость [м/с]

α — угол между векторами силы и скорости [°]

Примеры решения задач

Задача 1

Ложка медленно тонет в большой банке меда. На нее действуют сила тяжести, сила вязкого трения и выталкивающая сила. Какая из этих сил при движении тела совершает положительную работу? Выберите правильный ответ:

Сила вязкого трения.

Ни одна из перечисленных сил.

Решение

Поскольку ложка падает вниз, перемещение направлено вниз. В ту же сторону, что и перемещение, направлена только сила тяжести. Это значит, что она совершает положительную работу.

Ответ: 3.

Задача 2

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной L = 40 м с постоянной по модулю скоростью. Модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли, равен 80 H. Чему равна работа силы тяги за один оборот?

Решение

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая расходуется на работу силы трения, должна поступать в систему за счет работы силы тяги. Отсюда находим работу силы тяги за один оборот:

Ответ: 3200 Дж.

Задача 3

Тело массой 2 кг под действием силы F перемещается вверх по наклонной плоскости на расстояние l = 5 м. Расстояние тела от поверхности Земли при этом увеличивается на 3 метра. Вектор силы F направлен параллельно наклонной плоскости, модуль силы F равен 30 Н. Какую работу при этом перемещении в системе отсчета, связанной с наклонной плоскостью, совершила сила F?

Решение

В данном случае нас просят найти работу силы F, совершенную при перемещении тела по наклонной плоскости. Это значит, что нас интересуют сила F и пройденный путь. Если бы нас спрашивали про работу силы тяжести, мы бы считали через силу тяжести и высоту.

Работа силы определяется как скалярное произведение вектора силы и вектора перемещения тела. Следовательно:

A = Fl = 30 * 5 = 150 Дж

Ответ: 150 Дж.

Задача 4

Тело движется вдоль оси ОХ под действием силы F = 2 Н, направленной вдоль этой оси. На рисунке приведен график зависимости проекции скорости v x тела на эту ось от времени t. Какую мощность развивает эта сила в момент времени t = 3 с?

Решение

На графике видно, что проекция скорости тела в момент времени 3 секунды равна 5 м/с.

Мощность можно найти по формуле N = Fv.

N = FV = 2×5 = 10 Вт

Ответ: 10 Вт.

Попробуйте онлайн-курс подготовки к ЕГЭ по физике с опытным преподавателем в Skysmart!

Работа - это главное в жизни. От всех неприятностей, от всех бед можно найти только одно избавление - в работе.

Эрнест Хемингуэй

Оборудование: компьютер, проектор, электронные учебные пособия “Физика 7 класс”. УМК “Сферы”. Москва. Просвещение, 2009., Библиотека наглядных пособий Физика 7-11 классы. ООО “Дрофа”, 2004 г.

1. Организационный момент. Целеполагание.

Учитель зачитывает высказывания великих людей о работе (слайд 2).

Вопрос: Ребята, что вы понимаете под словом работа?

Ответ: Процесс получения какого-либо продукта.

Ответ: В обыденной жизни под словом “работа” мы понимаем различные действия человека, механизма.

А какая из физических величин необходима человеку для совершения работы?

Что такое механическая работа;
Как рассчитать механическую работу;
Когда механическая работа положительна, когда отрицательна и когда равна нулю.

Что такое сила;
От чего зависит результат действия силы;
Какие силы бывают и как они направлены (слайд 3).

2. Актуализация знаний

Ребята, а какие силы были изучены нами в этом учебном году?

Ответ: сила тяжести, сила упругости, вес тела, сила трения. Давайте вспомним понятие “силы” и виды сил, о которых мы узнали в 7 классе.

Вопрос: Что такое сила? От чего зависит результат действия силы?

Ответ: Сила - векторная физическая величина и результат её действия зависит от трёх характеристик: направления, точки приложения, модуля (слайд 4).

Одна из самых любимых детских сказок – сказка “Репка”. Сегодня мы рассмотрим её с научной точки зрения и увидим, что для того чтобы объяснить некоторые события в сказках нужно знать физику.

Ученик: Посадил дед репку. Выросла репка большая-пребольшая, тяжёлая-претяжёлая, разрослась она во все стороны, грунт потеснила. Поэтому-то очень плотный контакт у её клубня с почвой получился. Пошёл дед репку тянуть. Тянет - потянет – вытянуть не может. Сила тяги деда меньше той предельной силы, которая по поверхности соприкосновения репы с землёй возникает. Она называется……. (Cилой Трения покоя).

Вопрос: Какая сила мешала дедушке самостоятельно вытянуть репку?

Ответ: Сила трения покоя.

Вопрос: Какие ещё силы трения вам известны? Когда они возникают? Куда направлены?

Ответ: Сила трения скольжения, сила трения качения. Направлены в сторону противоположную движению, против внешней силы (слайд 5).

Вопрос: Какая ещё сила действовала на всех героев сказки “Репка”?

Ответ: Сила тяжести.

Ребята, давайте посмотрим фрагмент мультфильма и ответим на вопросы к нему.

(Слайд 6: фрагмент из мультфильма Незнайка).

Вопрос: Может ли такое случиться в земных условиях? Если нет, то почему?

Ответ: Нет, так как на земле существует сила тяжести, которая действует на любой предмет и притягивает его к Земле.

Вопрос: Куда направлена сила тяжести?

Ответ: Всегда к Земле.

Вопрос: Что предлагал найти Незнайка?

Вопрос: Что такое вес?

Ответ: Вес-это сила, которая вследствие притяжения к Земле действует на опору или подвес со стороны тела?

Вопрос: А в земных условиях человек не может пребывать в невесомости?

Ответ: Может, при полёте вниз, но при этом на него действует сила тяжести, он не будет парить, а будет притягиваться к Земле (слайд 7).

Вопрос: Почему капли дождя падают на Землю? (Слайд 8)

Ответ: На них действует сила тяжести.

Посмотрим следующий фрагмент и ответим на вопрос: какая сила возникает в этом случае? (Слайд 9: фрагмент из мультфильма “Добрыня Никитич”)

Ответ: сила упругости, возникает при деформациях тел, т.е. при изменении формы и объёма тела.

Вопрос: Как направлена сила упругости?

Ответ: Всегда в сторону, противоположную деформации.

Под действием силы тяжести многие тела падают на землю. Но, всё же, действие силы тяжести не всегда приводит к движению тела. Например, кирпич лежит на опоре и не падает.

Ответ: На кирпич со стороны опоры действует сила упругости, которая равна по модулю силе тяжести, направлена в противоположную сторону и уравновешивает её (слайд 10).

Вывод: Одновременно на одно и то же тело может действовать несколько сил (слайд 11).

Работа с опорным конспектом (ОК) (слайд 12)

Один учащийся располагает силы на доске, остальные в рабочих тетрадях.

3. Изучение нового материала.

3.1.Объяснение нового материала.

Мы вспомнили все силы неслучайно. Тема нашего урока “Механическая работа”. Как мы выяснили в начале урока, без силы никакая работа совершаться не может.

Под работой человек понимает различные действия, приводящие к получению “продукта”. Например, мы говорим: работает учитель, работает компьютер, работает трактор, холодильник. Мы понимает, что речь идёт о разных вещах, и не стремимся сравнивать работу грузчика с работой компьютера. Что же такое работа с точки зрения физики, точнее, что такое механическая работа? Давайте посмотрим анимацию “Механическая работа” (слайд 13).

Итак, в физике механическая работа – это величина, которую можно измерить. Под механической работой понимают связь между силой, действующей на тело и его перемещением или движением тела под действием силы.

Считается, что механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы.

Таким образом, в физике понятие работы напрямую связано с силой (нет силы, нет работы). Поэтому принято говорить о работе некоторой силы.

Нетрудно понять, что чем большая сила действует на тело и чем длиннее путь, который проходит тело под действием этой силы, тем большая совершается работа.

Механическая работа прямо пропорциональна приложенной силе и прямо пропорциональна пройденному пути.

Формула работы (слайд 14).

Работа – физическая величина и, следовательно, у неё есть единица измерения (слайды 15-16).

1Н*м = 1 Дж – единица измерения работы названа в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля.

За единицу работы принимают работу, совершаемую силой в 1 Н на пути 1 м.

Наступило время проверить как вы усвоили понятие механической работы.

Совершается ли механическая работа в следующих случаях? (Примеры совершения и не совершения механической работы слайды 17-22).

Если мы пытаемся сдвинуть с места тяжёлый предмет, но сила, с которой мы на него действуем меньше силы трения покоя, то предмет остаётся на месте. В этом случае, несмотря на нашу усталость, мы не совершаем механической работы, так как нет перемещения тела. Как бы не было тяжело мифологическому герою Атланту удерживать на плечах небесный свод, Атлант не совершает механической работы, так как небесный свод в этом случае не двигался.

Механическая работа равна нулю в случае, когда равны нулю либо силы, действующие на тело, либо под действием сил тело не перемещается.

(Заполнение опорного конспекта урока, слайд 23)

3.3. Расширение знаний о физической величине

Мы выяснили, что работа может быть равной нулю. (Приведу примеры из жизни: не выучил урок – работа равна нулю; выучил урок – выполнил полезную работу; набросал на пол фантики от конфет – совершил работу отрицательную). Оказывается, механическая работа, может быть отрицательной и положительной. Рассмотрим, в каких случаях и какая по знаку работа совершается (анимация “Положительная, отрицательная работы и работа, равная нулю”, слайд 24).

Вопрос: Какая из известных вам сил, всегда совершает отрицательную работу?

Ответ: Сила трения.

(Показываю движение деревянного бруска по плоскости и выясняем, что сила тяги совершает положительную работу, сила трения – отрицательную. Задаю вопросы: Совершает ли работу сила тяжести? Как направлена сила тяжести по отношению к перемещению бруска? Делаем вывод, что работа силы равна нулю, если она направлена перпендикулярно перемещению).

Если сила, приложенная к телу, совершает положительную работу, то скорость тела увеличивается. Действительно, в этом случае сила, а значит, и ускорение, направлены по скорости, увеличивая ее. Если же сила совершает отрицательную работу, то ускорение направлено против скорости и скорость тела убывает.

Допустим, что мы бросили тело в вертикальном направлении. Пока тело летит вверх, сила тяжести совершает над телом отрицательную работу и скорость тела уменьшается до нуля. Достигнув верхней точки, тело начинает двигаться ускоренно вниз. Сила тяжести совершает при этом положительную работу.

Если на движущееся тело действуют две противоположно направленные силы, то одна из них совершает положительную, а другая — отрицательную работу. Например, если на нерастянутую пружину подвесить груз (рис. 159) и дать ему возможность опускаться, то сила тяжести , действующая на груз, будет совершать положительную работу, так как груз будет двигаться в направлении этой силы. В то же время сила , с которой пружина действует на груз, будет совершать отрицательную работу.

Рис. 159. При опускании груза работа силы положительна, а силы отрицательна

Когда мы поднимаем некоторый груз, нам приходится преодолевать действие силы тяжести, притягивающей груз к Земле. В этом случае работа силы тяжести отрицательна. Положительна работа, которую мы затрачиваем на преодоление силы тяжести. Иногда эту работу называют работой, совершаемой против силы тяжести. Аналогично, в случае, когда на тело действуют две противоположно направленные силы и , то работа одной из них, скажем будет положительна, а работа другой, т. е. силы , будет отрицательна. Можно сказать, что работа силы совершается против силы . Подчеркнем, что в случае, когда работа некоторой силы отрицательна, работа, совершаемая какой-то другой силой против силы , будет положительна.

Копирование информации со страницы разрешается только с указанием ссылки на данный сайт

Что ты хочешь узнать?

Ответ

Механическая работа может быть положительной и отрицательной.

Если перемещение совпадает с направлением действия силы, то сила помогает движению. Это правило действует и в том случае, если угол между вектором перемещения и силой меньше 90 градусов. В названных случаях совершенную работу считают положительной.

Ответы

механическая работа может быть положительной и отрицательной.

если перемещение совпадает с направлением действия силы, то сила движению. это правило действует и в том случае, если угол между вектором перемещения и силой меньше 90 градусов. в названных случаях совершенную работу считают положительной.

если сила препятствует движению и ее направление противоположно перемещению или угол между силой и перемещением тупой, произведенную работу считают отрицательной. например, сила трения всегда совершает отрицательную работу.

при бросании мяча вверх сила тяжести направлена против движения, то есть препятствует ему. следовательно, сила тяжести совершает отрицательную работу.

при падении мяча направление силы тяжести и направление движения мяча , значит сила тяжести совершает положительную работу.

Читайте также: