题目
质点所受外力F=(y2−x2)i+3xyj,求质点由点(0,0)运动到点(2,4)的过程中力F所做的功: (1)先沿x轴由点(0,0)运动到点(2,0),再平行y轴由点(2,0)运动到点(2,4). (2)沿连接(0,0),(2,4)两点的直线. (3)沿抛物线y=x2由点(0,0)到点(2,4).(单位为国际单位制)
质点所受外力F=(y2−x2)i+3xyj,求质点由点(0,0)运动到点(2,4)的过程中力F所做的功:
(1)
先沿x轴由点(0,0)运动到点(2,0),再平行y轴由点(2,0)运动到点(2,4).
(2)
沿连接(0,0),(2,4)两点的直线.
(3)
沿抛物线y=x2由点(0,0)到点(2,4).(单位为国际单位制)
题目解答
答案
- (1)
W=1363J
- (2)
W=40J.
- (3)
W=63215J
解析
步骤 1:计算沿x轴运动的功
质点沿x轴由点(0,0)运动到点(2,0),此时y=0,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(-x^2)i。因此,力F在x轴方向的分量为F_x=-x^2,而y方向的分量为F_y=0。由于质点沿x轴运动,只有x方向的分量做功,因此,沿x轴运动的功为W_x=∫_{0}^{2}F_xdx=∫_{0}^{2}(-x^2)dx。
步骤 2:计算沿y轴运动的功
质点沿y轴由点(2,0)运动到点(2,4),此时x=2,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(y^2-4)i+6yj。因此,力F在y轴方向的分量为F_y=6y,而x方向的分量为F_x=y^2-4。由于质点沿y轴运动,只有y方向的分量做功,因此,沿y轴运动的功为W_y=∫_{0}^{4}F_ydy=∫_{0}^{4}6ydy。
步骤 3:计算沿直线运动的功
质点沿直线由点(0,0)运动到点(2,4),直线方程为y=2x。因此,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(4x^2-x^2)i+6x^2j=(3x^2)i+6x^2j。因此,力F在x轴方向的分量为F_x=3x^2,而y方向的分量为F_y=6x^2。由于质点沿直线运动,x方向和y方向的分量都做功,因此,沿直线运动的功为W=∫_{0}^{2}(F_xdx+F_ydy)=∫_{0}^{2}(3x^2dx+6x^2dy)。
步骤 4:计算沿抛物线运动的功
质点沿抛物线y=x^2由点(0,0)运动到点(2,4),因此,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(x^4-x^2)i+3x^3j。因此,力F在x轴方向的分量为F_x=x^4-x^2,而y方向的分量为F_y=3x^3。由于质点沿抛物线运动,x方向和y方向的分量都做功,因此,沿抛物线运动的功为W=∫_{0}^{2}(F_xdx+F_ydy)=∫_{0}^{2}(x^4-x^2)dx+∫_{0}^{2}3x^3dy。
质点沿x轴由点(0,0)运动到点(2,0),此时y=0,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(-x^2)i。因此,力F在x轴方向的分量为F_x=-x^2,而y方向的分量为F_y=0。由于质点沿x轴运动,只有x方向的分量做功,因此,沿x轴运动的功为W_x=∫_{0}^{2}F_xdx=∫_{0}^{2}(-x^2)dx。
步骤 2:计算沿y轴运动的功
质点沿y轴由点(2,0)运动到点(2,4),此时x=2,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(y^2-4)i+6yj。因此,力F在y轴方向的分量为F_y=6y,而x方向的分量为F_x=y^2-4。由于质点沿y轴运动,只有y方向的分量做功,因此,沿y轴运动的功为W_y=∫_{0}^{4}F_ydy=∫_{0}^{4}6ydy。
步骤 3:计算沿直线运动的功
质点沿直线由点(0,0)运动到点(2,4),直线方程为y=2x。因此,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(4x^2-x^2)i+6x^2j=(3x^2)i+6x^2j。因此,力F在x轴方向的分量为F_x=3x^2,而y方向的分量为F_y=6x^2。由于质点沿直线运动,x方向和y方向的分量都做功,因此,沿直线运动的功为W=∫_{0}^{2}(F_xdx+F_ydy)=∫_{0}^{2}(3x^2dx+6x^2dy)。
步骤 4:计算沿抛物线运动的功
质点沿抛物线y=x^2由点(0,0)运动到点(2,4),因此,外力F=(y^2-x^2)i+3xyj变为F=(x^4-x^2)i+3x^3j。因此,力F在x轴方向的分量为F_x=x^4-x^2,而y方向的分量为F_y=3x^3。由于质点沿抛物线运动,x方向和y方向的分量都做功,因此,沿抛物线运动的功为W=∫_{0}^{2}(F_xdx+F_ydy)=∫_{0}^{2}(x^4-x^2)dx+∫_{0}^{2}3x^3dy。