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2018-2019學(xué)年高中物理 第1章 功和功率 第1節(jié) 機(jī)械功學(xué)案 魯科版必修2

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1、第1節(jié)機(jī)械功學(xué)習(xí)目標(biāo)核心提煉1.理解功的概念,掌握恒力做功的公式。3個(gè)概念功、正功、負(fù)功1個(gè)表達(dá)式WFscos 2.會(huì)判斷正功、負(fù)功。3.會(huì)求恒力的功、總功。4.知道一些簡(jiǎn)單的變力做功的求法。一、機(jī)械功的含義閱讀教材第34頁(yè)的“機(jī)械功的含義”部分,知道功的概念,初步掌握恒力做功的公式。1.含義作用于某物體的恒力大小為F,該物體沿力的方向運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)位移s,則F和s的乘積叫機(jī)械功,簡(jiǎn)稱(chēng)功。2.做功的兩個(gè)因素3.公式WFscos_。(1)是力與位移方向之間的夾角,s為物體對(duì)地的位移。(2)該公式只適用于恒力做功。(3)功是標(biāo)(填“標(biāo)”或“矢”)量。(4)功是一個(gè)過(guò)程(填“狀態(tài)”或“過(guò)程”)量,描述了

2、力的作用效果在空間上的累積,總與一個(gè)具體過(guò)程相聯(lián)系。4.單位國(guó)際單位制中,功的單位是焦耳,簡(jiǎn)稱(chēng)焦,符號(hào)是J。1 J1 Nm。思維拓展如圖1所示,下列人或機(jī)械對(duì)物體做功的是誰(shuí)?功的大小與哪些因素有關(guān)呢?圖1答案甲圖、乙圖中,人對(duì)物體有力的作用,但物體在力的方向沒(méi)有位移,故不做功。丙圖中起重機(jī)對(duì)貨物做功。物體受到的力和物體在力的方向上發(fā)生的位移決定做功的大小。二、機(jī)械功的計(jì)算閱讀教材第56頁(yè)“機(jī)械功的計(jì)算”部分,會(huì)計(jì)算外力對(duì)物體做的總功,了解正功和負(fù)功的判斷方法。1.正功和負(fù)功的取值W的取值含義W0力F不做功0W0力F對(duì)物體做正功W0力F對(duì)物體做負(fù)功(或說(shuō)成物體克服力F做功)2.幾個(gè)力的總功的求法

3、(1)先由WFscos 計(jì)算各個(gè)力對(duì)物體所做的功W1、W2、W3、然后求所有力做功的代數(shù)和,即W總W1W2W3(2)先由力的合成或根據(jù)牛頓第二定律求出合力F合,然后由W總F合scos_計(jì)算總功,此時(shí)為F合的方向與s的方向間的夾角。思維拓展1.如圖2所示,人推著木箱在水平地面上運(yùn)動(dòng)。人推木箱前進(jìn)時(shí),水平推力和摩擦力對(duì)木箱有沒(méi)有做功?如果做功,分別做的是正功還是負(fù)功?圖22.一個(gè)物體受到兩個(gè)力的作用,其中F1做功10 J,F(xiàn)2做功15 J,力F1和力F2哪個(gè)力做的功多??jī)闪ψ龅目偣κ嵌嗌??答?.做功。推力的方向與木箱的運(yùn)動(dòng)方向一致,做正功;摩擦力的方向與木箱的運(yùn)動(dòng)方向相反,做負(fù)功。2.F2做的功

4、多。兩力做的總功為WW1W210 J15 J5 J。機(jī)械功及其公式的理解要點(diǎn)歸納1.功是過(guò)程量:描述了力的作用效果在空間上的累積,它總與一個(gè)具體過(guò)程相聯(lián)系。2.對(duì)公式WFscos 的理解(1)相關(guān)性:由公式WFscos 可以看出力對(duì)物體做功,只與F、s、有關(guān),與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及物體是否還受其他作用力等因素均無(wú)關(guān)。(2)同時(shí)性:計(jì)算時(shí)應(yīng)注意F與s必須具有同時(shí)性,即s必須是力F作用過(guò)程中物體發(fā)生的位移。(3)同一性:同一個(gè)客觀運(yùn)動(dòng),相對(duì)于不同的參考系,位移s是不同的,在中學(xué)物理中約定,計(jì)算功都以地面為參考系,即s應(yīng)理解為“受力質(zhì)點(diǎn)的對(duì)地位移”。(4)適用性:明確公式WFscos 適用于計(jì)算恒力做功

5、,若是變力做功,此公式不再適用。3.正功與負(fù)功(1)功是標(biāo)量,只有正、負(fù),沒(méi)有方向,功的正負(fù)不表示大小。(2)正功、負(fù)功的物理意義動(dòng)力學(xué)角度能量角度正功表示這個(gè)力對(duì)物體來(lái)說(shuō)是動(dòng)力力對(duì)物體做正功,使物體獲得能量負(fù)功表示這個(gè)力是阻力,對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)起阻礙作用物體克服外力做功,使物體失去能量(3)一個(gè)力對(duì)物體做負(fù)功,往往說(shuō)成物體克服這個(gè)力做功。精典示例例1 如圖3所示,物體在力的作用下在水平面上發(fā)生一段位移s,試分別計(jì)算這四種情況下力F對(duì)物體所做的功。設(shè)在這四種情況下力F和位移s的大小都相同:F10 N,s1 m,角的大小如圖所示,分別說(shuō)明每種情況下力F做功的正負(fù),并求出功。圖3解析甲圖中力F做正功,

6、WFscos (180)Fscos 305 J。乙圖中力F做負(fù)功,WFscos (180)Fscos 1505 J。丙圖中力F做正功,WFscos 305 J。丁圖中力F做正功,WFs10 J。答案見(jiàn)解析正、負(fù)功的判斷方法(1)根據(jù)力F的方向與位移s方向的夾角判斷:0時(shí),力對(duì)物體做正功;時(shí),力對(duì)物體不做功;時(shí),力對(duì)物體做負(fù)功。此方法一般用于物體做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的情況。(2)根據(jù)力F的方向與物體運(yùn)動(dòng)速度v的方向的夾角判斷:0時(shí),力對(duì)物體做正功;時(shí),力對(duì)物體不做功;時(shí),力對(duì)物體做負(fù)功。此方法一般用于物體做曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的情況。(3)根據(jù)速率增大還是減小判斷:若在力作用下速率增大,此力做正功,反之做負(fù)功,此方法

7、一般應(yīng)用于力的方向不明確的變速運(yùn)動(dòng)。針對(duì)訓(xùn)練1 一人乘電梯從1樓到20樓,在此過(guò)程中經(jīng)歷了先加速、后勻速、再減速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,則電梯支持力對(duì)人做功情況是()A.加速時(shí)做正功,勻速時(shí)不做功,減速時(shí)做負(fù)功B.加速時(shí)做正功,勻速和減速時(shí)做負(fù)功C.加速和勻速時(shí)做正功,減速時(shí)做負(fù)功D.始終做正功解析要判斷功的正負(fù),可根據(jù)公式WFscos 中力和位移的夾角來(lái)判斷。在加速、勻速、減速的過(guò)程中,支持力與人的位移方向始終相同,所以支持力始終對(duì)人做正功,故D正確。答案D總功的兩種求解思路要點(diǎn)歸納(1)先確定物體所受的合力,再根據(jù)公式W合F合scos 求解合力的功。該方法適用于物體的合力不變的情況,常見(jiàn)的是發(fā)生位移s

8、過(guò)程中,物體所受的各力均沒(méi)有發(fā)生變化。求解流程:(2)先根據(jù)WFscos ,求出每個(gè)分力做的功W1、W2Wn,再根據(jù)W總W1W2Wn,求解合力的功,即合力做的功等于各個(gè)分力做功的代數(shù)和。該方法的適用范圍更廣,求解流程:精典示例例2 如圖4所示,質(zhì)量為m2 kg的物體靜止在水平地面上,受到與水平地面夾角為37、大小F10 N的拉力作用,物體移動(dòng)了s2 m,物體與地面間的動(dòng)摩擦因數(shù)0.3,sin 37 0.6,cos 370.8,g取10 m/s2。求:圖4(1)拉力F所做的功W1;(2)摩擦力f所做的功W2;(3)重力G所做的功W3;(4)彈力N所做的功W4;(5)各力所做的總功W。解析(1)對(duì)

9、物體進(jìn)行受力分析,如圖所示。W1Fscos 1020.8 J16 J(2)NGFsin 20 N100.6 N14 NfN0.314 N4.2 NW2f scos 1804.22 J8.4 J(3)W3Gscos 900(4)W4Nscos 900(5)WW1W2W3W47.6 J也可由合力求總功F合Fcos f100.8 N4.2 N3.8 NF合與s方向相同,所以WF合s3.82 J7.6 J答案(1)16 J(2)8.4 J(3)0(4)0(5)7.6 J計(jì)算總功的一般步驟和方法1.對(duì)物體進(jìn)行正確的受力分析,明確物體受到哪幾個(gè)力作用,以及每個(gè)力的大小和方向。2.分析每一個(gè)力作用過(guò)程中所對(duì)

10、應(yīng)的位移,根據(jù)功的定義式WFscos ,求出每一個(gè)力所做的功。3.將各個(gè)力所做的功進(jìn)行代數(shù)求和,即可計(jì)算出總功。4.若各個(gè)力是同時(shí)作用在物體上,也可先求出各個(gè)力的合力,再根據(jù)功的定義式求出合力所做的總功。針對(duì)訓(xùn)練2 一物體置于光滑水平面上,受互相垂直的水平力F1、F2作用,如圖5所示,經(jīng)一段位移后,F(xiàn)1做功為6 J,克服F2做功為8 J,則F1、F2的合力做功為()圖5A.14 J B.10 JC.2 J D.2 J解析當(dāng)有多個(gè)力對(duì)物體做功的時(shí)候,總功的大小等于各個(gè)力做功的代數(shù)和,由于力F1做功為6 J,力F2做功為8 J,所以F1與F2的合力做功為6 J8 J2 J,故C正確。答案C1.(對(duì)

11、功的理解)如圖6所示,下列過(guò)程中人對(duì)物體做了功的是()圖6A.小華用力推石頭,但沒(méi)有推動(dòng)B.小明舉起杠鈴后,在空中停留3秒的過(guò)程中C.小紅提著書(shū)包,隨電梯一起勻速上升的過(guò)程中D.小陳將冰壺推出后,冰壺在水平冰面上滑行了5米的過(guò)程中解析A、B選項(xiàng)所述情景中,位移都為零,D中冰壺滑行時(shí),不受人的推力,故人對(duì)冰壺不做功,只有C選項(xiàng)所述情景,人對(duì)物體做功。答案C2. (功的計(jì)算)(2018西安高一檢測(cè))(多選)如圖7所示,一個(gè)物體放在水平面上,在跟豎直方向成角斜向下的推力F作用下沿水平面向右移動(dòng)了距離s,若物體的質(zhì)量為m,物體與地面之間的摩擦力大小為f,則在此過(guò)程中()圖7A.摩擦力做的功為f sB.

12、力F做的功為Fscos C.合力F合做的功為Fssin f sD.重力做的功為mgs解析物體與地面之間的摩擦力大小為f,物體的位移大小為s,由功的公式可得摩擦力做的功Wf s,所以選項(xiàng)A正確;力F與豎直方向成角,所以在水平方向的分力為Fsin ,故F做的功為Fssin ,所以選項(xiàng)B錯(cuò)誤;物體所受合力F合Fsin f,故合力做的功W合(Fsin f)sFssin f s,選項(xiàng)C正確;重力在豎直方向上,物體在豎直方向的位移是0,所以重力的功為0,選項(xiàng)D錯(cuò)誤。答案AC3.(正、負(fù)功的判斷)(2018大連高一檢測(cè))大力士比賽在國(guó)外比較盛行,首次世界大力士比賽始于1977年,如圖8所示為某選手將20多噸

13、的汽車(chē)在水平路面上拖行了20 m,下列說(shuō)法正確的是()圖8A.汽車(chē)受到的重力做了正功B.汽車(chē)受到的地面的摩擦力做了負(fù)功C.汽車(chē)受到的拉力不做功D.汽車(chē)受到地面的支持力做了正功解析汽車(chē)所受重力的方向豎直向下,而位移的方向?yàn)樗椒较?,重力與位移方向垂直,故重力不做功,A項(xiàng)錯(cuò)誤;汽車(chē)受到的地面的摩擦力與位移方向夾角為180,WFscos 180Fs,故地面對(duì)汽車(chē)的摩擦力做負(fù)功,B項(xiàng)正確;汽車(chē)受到的拉力與位移方向夾角為銳角,拉力做正功,故C項(xiàng)錯(cuò)誤;汽車(chē)受到地面的支持力與位移方向垂直,不做功,D項(xiàng)錯(cuò)誤。答案B4.(變力做功)如圖9所示,一根繩子繞過(guò)高4 m的滑輪(大小、摩擦均不計(jì)),繩的一端拴一質(zhì)量為1

14、0 kg的物體m,另一側(cè)沿豎直方向的繩被人拉住。若人拉住繩子前進(jìn)3 m,使物體勻速上升,g取10 m/s2。則人拉繩所做的功為()圖9A.500 J B.300 JC.100 J D.50 J解析拉力是變力,但拉力做的功等于物體克服重力做的功,所以求拉力做的功可以轉(zhuǎn)化為求重力做的功。物體上升的位移hm4 m1 m,重力做的功Wmgh10101 J100 J,所以人拉繩所做的功WW100 J,故選C。答案C5. (作用力和反作用力做的功)如圖10所示,木塊靜止在光滑的水平面上,一子彈沿水平方向射入木塊并留在其中。在此過(guò)程中,子彈鉆入木塊的深度為d,木塊的位移為s,木塊對(duì)子彈的阻力大小為F。則木塊

15、對(duì)子彈的阻力做的功為_(kāi),子彈對(duì)木塊的作用力做的功為_(kāi)。圖10解析對(duì)子彈受力分析可知,子彈受到木塊對(duì)它的作用力F,其方向與子彈發(fā)生的位移方向相反,子彈發(fā)生的位移大小是sd,方向與木塊(子彈)運(yùn)動(dòng)方向相同。所以木塊對(duì)子彈的阻力做的功W1F(sd)cos 180F(sd)。由牛頓第三定律可知,子彈對(duì)木塊的反作用力大小也等于F,其方向與木塊發(fā)生的位移s方向相同,故子彈對(duì)木塊的作用力做的功WFscos 0Fs。答案F(sd)Fs基礎(chǔ)過(guò)關(guān)1.(2018南安高一檢測(cè))(多選)關(guān)于力對(duì)物體做功,下列說(shuō)法正確的是()A.木塊在水平桌面上滑動(dòng),支持力對(duì)木塊不做功B.起重機(jī)向上吊起貨物時(shí),吊繩的拉力對(duì)貨物做正功C.

16、把一個(gè)小球向上豎直拋出,在小球上升的過(guò)程中,重力對(duì)小球做負(fù)功D.摩擦力總是對(duì)物體做負(fù)功答案ABC2.(2018定西高一檢測(cè))大小相等的水平拉力分別作用于原來(lái)靜止、質(zhì)量分別為M1和M2的物體上,使A沿光滑水平面運(yùn)動(dòng)了L,使B沿粗糙水平面運(yùn)動(dòng)了相同的位移,則拉力F對(duì)A、B做的功W1和W2相比較()A.W1W2 B.W1W2 C.W1W2 D.無(wú)法比較解析兩種情況下拉力相同,位移相同,拉力與位移同向,所以做功一樣多,故C正確,A、B、D錯(cuò)誤。答案C3.以一定速度豎直上拋一個(gè)小球,小球上升的最大高度為h,空氣阻力的大小恒為f,則從拋出至落回到原出發(fā)點(diǎn)的過(guò)程中,空氣阻力對(duì)小球做的功為()A.0 B.f

17、hC.2f h D.4f h解析上升階段,空氣阻力做功W1f h。下落階段空氣阻力做功W2f h,整個(gè)過(guò)程中空氣阻力做功WW1W22f h,故C選項(xiàng)正確。答案C4.如圖1所示,質(zhì)量為m的物體P放在光滑的傾角為的直角劈上,同時(shí)用力F向右推劈,使P與劈保持相對(duì)靜止,在前進(jìn)了水平位移s的過(guò)程中,劈對(duì)P做的功為()圖1A.Fs B.mgssin C.mgscos D.mgstan 解析物體P與直角劈相對(duì)靜止,二者必定都向右加速運(yùn)動(dòng),即物體P的合力方向水平向右,對(duì)物體P進(jìn)行受力分析得直角劈對(duì)P的支持力N,所以支持力做的功為WNssin mgstan ,D正確。答案D5.有一根輕繩拴了一個(gè)物體,如圖2所示

18、,若整體以加速度a向下做減速運(yùn)動(dòng)時(shí),作用在物體上的各力做功的情況是()圖2A.重力做正功,拉力做負(fù)功,合力做負(fù)功B.重力做正功,拉力做負(fù)功,合力做正功C.重力做正功,拉力做正功,合力做正功D.重力做負(fù)功,拉力做負(fù)功,合力做正功解析重力與位移同向,做正功,拉力與位移反向,做負(fù)功,由于做減速運(yùn)動(dòng),所以物體所受合力方向向上,與位移反向,做負(fù)功。答案A6.質(zhì)量m50 kg的滑雪運(yùn)動(dòng)員從高度h30 m的坡頂由靜止下滑,斜坡的傾角37,滑雪板與雪面之間的動(dòng)摩擦因數(shù)0.1。運(yùn)動(dòng)員滑至坡底的過(guò)程中,求:圖3(1)滑雪運(yùn)動(dòng)員所受的重力對(duì)他做的功;(2)各力對(duì)運(yùn)動(dòng)員做的總功是多少?(g取10 m/s2,sin 3

19、70.6,cos 370.8,裝備質(zhì)量不計(jì))解析(1)重力做的功WGmgh501030 J1.5104 J(2)運(yùn)動(dòng)員所受合力:F合mgsin 37mgcos 37260 N方向沿斜坡向下,沿合力方向位移s50 m合力做的功W總F合s26050 J1.3104 J答案(1)1.5104 J(2)1.3104 J能力提升7.(2018蘇州高一檢測(cè))如圖4甲為一女士站立在臺(tái)階式自動(dòng)扶梯上正在勻速上樓,如圖乙為一男士站立在乘履帶式自動(dòng)人行道上正在勻速上樓。下列關(guān)于兩人受到的力做功判斷正確的是()圖4A.甲圖中支持力對(duì)人做正功B.乙圖中支持力對(duì)人做正功C.甲圖中摩擦力對(duì)人做負(fù)功D.乙圖中摩擦力對(duì)人做負(fù)

20、功解析甲圖中,人勻速上樓,不受靜摩擦力,摩擦力不做功,支持力向上,與速度方向的夾角為銳角,即WFscos 0,所以支持力做正功,故A正確,C錯(cuò)誤;乙圖中,支持力與速度方向垂直,支持力不做功,摩擦力沿斜面向上即與速度方向相同,做正功,故B、D錯(cuò)誤。答案A8.如圖5所示,同一物體分別沿斜面AD和BD自頂點(diǎn)由靜止開(kāi)始下滑,該物體與兩斜面間的動(dòng)摩擦因數(shù)相同。在滑行過(guò)程中克服摩擦力做的功分別為WA和WB,則()圖5A.WAWBB.WAWBC.WAWBD.無(wú)法確定解析設(shè)斜面AD、BD與水平面CD所成夾角分別為、,根據(jù)功的公式,得WAmgcos sADmgsCD,WBmgcos sBDmgsCD,選項(xiàng)B正確

21、。答案B9.(2018成都高一檢測(cè))(多選)如圖6所示,在皮帶傳送裝置中,皮帶把物體P勻速送到皮帶頂端,在這個(gè)過(guò)程中,下列說(shuō)法中正確的是()圖6A.摩擦力對(duì)物體P做正功B.物體P克服摩擦力做功C.皮帶克服摩擦力做功D.摩擦力對(duì)皮帶不做功解析物體相對(duì)于傳送帶有向下運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),故受斜向上的靜摩擦力,摩擦力的方向與物體運(yùn)動(dòng)方向相同,故摩擦力對(duì)P做正功,A正確,B錯(cuò)誤;物體受斜向上的靜摩擦力,根據(jù)牛頓第三定律,物體對(duì)傳送帶的摩擦力斜向下,而傳送帶向上運(yùn)動(dòng),故摩擦力對(duì)傳送帶做負(fù)功,故C正確,D錯(cuò)誤。答案AC10. (2018信陽(yáng)高一檢測(cè))如圖7所示,一物體(可視為質(zhì)點(diǎn))以一定的速度沿水平面由A點(diǎn)滑到B點(diǎn)

22、,摩擦力做功W1;若該物體從A沿兩斜面滑到B(此過(guò)程物體始終不會(huì)離開(kāi)斜面),摩擦力做的總功為W2,若物體與各接觸面的動(dòng)摩擦因數(shù)均相同,則()圖7A.W1W2 B.W1W2C.W1W2 D.不能確定W1、W2的大小關(guān)系解析設(shè)A、B間距離為L(zhǎng),則由A滑到B點(diǎn),摩擦力做的功W1mgL,由A滑到B摩擦力做的功為W2mgcos s上mgcos s下mgL,故W1W2,由此可知選項(xiàng)A正確,B、C、D錯(cuò)誤。答案A11.一滑塊在水平地面上沿直線(xiàn)滑行,t0時(shí),其速度為1 m/s。從此刻開(kāi)始在滑塊運(yùn)動(dòng)方向上再施加一水平作用力F,力F和滑塊的速度v隨時(shí)間的變化規(guī)律分別如圖8甲和乙所示。設(shè)在第1 s內(nèi)、第2 s內(nèi)、第

23、3 s內(nèi)力F對(duì)滑塊做的功分別為W1、W2、W3,則以下關(guān)系式正確的是()圖8A.W1W2W3 B.W1W2W3C.W1W3W2 D.W1W2W3解析在vt圖象中,圖線(xiàn)與坐標(biāo)軸所圍面積大小等于滑塊某時(shí)間段的位移,由圖乙可計(jì)算第1 s內(nèi)、第2 s內(nèi)、第3 s內(nèi)滑塊的位移分別是x10.5 m、x20.5 m、x31 m,所以W1F1x10.5 J,W2F2x21.5 J,W3F3x32 J,所以W1W 2W3,B項(xiàng)正確。答案B12.質(zhì)量為M的木板放在光滑水平面上,如圖9所示。一個(gè)質(zhì)量為m的滑塊以某一速度沿木板表面從A點(diǎn)滑至B點(diǎn),在木板上前進(jìn)了l,同時(shí)木板前進(jìn)了s,若滑塊與木板間的動(dòng)摩擦因數(shù)為,求摩擦

24、力對(duì)滑塊、對(duì)木板所做的功各為多少?圖9解析由題圖可知,木板的位移為sMs,滑塊的位移為smls,m與M之間的滑動(dòng)摩擦力fmg。由公式WFscos 可得,摩擦力對(duì)滑塊所做的功為Wmmgsmcos 180mg(ls),負(fù)號(hào)表示做負(fù)功。摩擦力對(duì)木板所做的功為WMmgsMmgs。答案mg(ls)mgs13.如圖10所示,水平傳送帶以速度v順時(shí)針運(yùn)轉(zhuǎn),兩傳動(dòng)輪M、N之間的距離為l10 m,若在M輪的正上方將一質(zhì)量為m3 kg 的物體輕放在傳送帶上,已知物體與傳送帶之間的動(dòng)摩擦因數(shù)0.3,在以下兩種情況下物體由A處傳送到B處的過(guò)程中,傳送帶對(duì)物體的摩擦力做了多少功?(g取10 m/s2)圖10(1)傳送帶速度v6 m/s;(2)傳送帶速度v9 m/s。解析物體在傳送帶上加速運(yùn)動(dòng)時(shí)ag3 m/s2。剛好加速運(yùn)動(dòng)10 m時(shí)速度v0 m/s2 m/s(1)由于v6 m/sv02 m/s,所以物體先加速至6 m/s再勻速運(yùn)動(dòng),加速過(guò)程的位移為l m6 m。傳送帶摩擦力做功WFlmgl96 J54 J。(2)由于v9 m/sv02 m/s,所以物體從A至B的過(guò)程中一直加速。摩擦力做功WFlmgl910 J90 J。答案(1)54 J(2)90 J15

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