人的内力做功的有关问题的研究.doc

与人的内力做功有关的问题的分析四川省什邡市七一中学温达洪在几年的高中物理教学中，常遇到与人的内力做功的有关问题，许多同学对此感到十分困惑，不能对有关问题进行正确的解释，下面将中学常见的此类问题作深入的分析和探讨。例题1人在水平地面上加速跑步时，人受到的向前的静摩擦力是否对人做功？错解：人在运动过程中，受竖直方向的重力和支持力作用，互相抵消，同时受到向前的静摩擦力，人在静摩擦力方向上发生了位移，并且力与位移方向相同，故静摩擦力对人做正功，根据动能定理可知：静摩擦力所做的功等于物体动能的增量，故从功和能的关系角度看，地面给人提供能量，使人的动能增加。分析：人在跑步过程中虽然受到竖直方向的重力和支持力、水平方向向前的静摩擦力，并且静摩擦力方向与人的位移方向一致，但从做功的角度来看，静摩擦力并不做功。因为脚与地面之间存在静摩擦力时，脚掌相对地面并没有运动，作用在脚底的静摩擦力并没有使脚发生位移，而脚腾空向前运动时，脚底与地面之间静摩擦力消失。到底是什么力做功使人的动能增加？要弄清这一问题，首先必须明确高中物理教材中叙述的动能定理只适用于一个可视为质点的物体，而人在运动过程中人的手、脚、躯干等部分通过肌肉收缩相互作用，人不能当作一个质点看待。从质点组的动能定理来看：人在运动过程中内力和外力做功之和等于人的动能的增量，而外力不做功，因此人在跑步时，内力做功等于人的动能的增量。从功和能的关系角度看，如果地面的静摩擦力做功，则地面必然给人提供能量，事实上地面不可能给人提供能量，因此地面不可能对人做功。事实上是肌肉收缩做功，也就是人的内力做功，从而把人体内的化学能转化为机械能，即人的动能是通过消耗人体的化学能转化而来的。例题2人由一楼匀速走到五楼，地面对人的支持力是否做功？错解：人在登楼时受到竖直向上的支持力和竖直向下的重力，人的位移方向与支持力方向相同，故支持力做正功，重力做负功，地面提供能量转化为人的重力势能。分析：从做功的角度来看，人在登楼时，地面对脚底有支持力时，脚没有发生位移，脚腾空向上运动时，支持力消失，故支持力不做功。人在登楼时，不能把人看作一个质点处理，从质点组的动能定理来看，人所受外力和身体各部分之间内力做功之和等于人的动能增量，即内力做功与重力做功之和为零，这说明人的身体各部分之间的内力做正功。因此人的内力做功，从而把人体内的化学能转化机械能，即人的重力势能是通过消耗人体的化学能转化而来的。值得注意的是若人站在匀速上升的电梯中由一楼到五楼，则电梯对人的支持力做功，但人的内力不做功，请看下面的例题：例3在自动扶梯以恒定速度运转时，第一次有一个人站在扶梯上相对扶梯静止不动，扶梯载他上楼过程中对他做功为，电机带动扶梯做功功率为。第二次这人在运动的扶梯上又以相对扶梯的速度同时匀速向上走，则这次扶梯对他做功为，电机带动扶梯做功功率为，以下说法中正确的是（）A．B．C．D．分析：在人相对电梯静止和相对电梯匀速时，人的受力一样（重力和支持力平衡），所以电梯受力也一样，那么电机带动扶梯做功功率没有变化，故；但人相对扶梯匀速时的上楼时间短，所以人相对扶梯静止时电梯对人做功多，即。还可以这样分析：利用功能关系，第一次是电梯消耗电能对人做功使人的重力势能增加，即人的重力势能增加等于电梯对人做的功，第二次消耗电能和消耗人体化学能使人的重力势能增加，即人的重力势能增加等于电梯对人做的功和人体消耗的化学能。当然第一次电梯对人做的功多些，即综上所述，本题答案应选B。例4．一位质量为的运动员从下蹲状态向上起跳，经时间，身体伸直并刚好离开地面，速度为，在此过程中（）A．地面对他的冲量为，地面对他做的功为B．地面对他的冲量为，地面对他做的功为零C．地面对他的冲量为，地面对他做的功为D．地面对他的冲量为，地面对他做的功为零分析：将人看为质点组，根据质点组动量定理：质点组合外力的冲量等于质点组动量的增量，人所受外力只有重力和地面的支持力，选竖直向上为正方向，则，即，解得地面对人不做功，因为地面对人的支持力的作用点在脚上，且脚在这段时间内没有发生任何位移，所以支持力不做功。但人的重心在上升，人的动能和重力势能都增加了，即人的机械能增加了，这是为什么呢？根据质点组动能定理：质点组所受外力和内力做功的代数和等于质点组动能的增量，人所受外力中只有重力做了负功，说明人的内力做了正功，即人的内力做正功一方面是为了克服重力做功，使人的重力势能增加，另一方面又使人的动能增加，即人的内力做正功，把人体内的化学能转化为机械能。因此本题答案应选B通过本文的分析，说明人体内力做功，可以使人的动能或势能增加，也说明质点组内力做功可以改变自身的机械能。当然人体对自身做功也可以将体内的化学能转化为自身的热能，如人提水桶在水平地面上匀速行走，人站着静止不动推一个固定