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    能量与功-能量-焦耳-效率

    发布时间:2020-11-11 14:07:10 作者:冬青好 

      作功(也叫机械功)就是力移动一个距离。

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      没有移动就没有功!

    20201111135430.png

    这些人在作功,因为他们在举重

    20201111135503.png

    这个人作了功来举起杠铃,但现在他不是在作功,因为杠铃不在移动

    20201111135538.png

    这个也不在作功

    20201111135609.png
    这辆拖拉机在作功,因为它在托动干草捆。

      相同方向!
      力和移动是沿同一个方向测量的。

      功  =  力 × 距离 × cos θ

      其中 θ 是力和移动方向之间的角度。

      所以不包括与移动成直角的力。
      例子:小庄一 200牛顿的力把箱子向前推了 3米。但推的角度是向上 20°。

    20201111135707.png

      开始:

      功 = 力 × 距离 × cos θ

      代入数值:

      功  = 200牛顿N × 3米 × cos 20°

      功  = 200牛顿 × 3米 × 0.9397……

      功  = 564牛顿米(保留最近的牛顿米)

      1牛顿米是 1焦耳(J),功与能量的合适单位(下面再讲):

      功 = 564焦耳

      (如果缺了 cos θ,错误的答案便是 600焦耳)

      这是一些角度:

    20201111135803.png

      所以记住:

      没有移动就没有功
      力与移动在同一方向
      功  =  力 × 距离 × cos θ

      能量
      能量是做功的能力。

      能量就像储存起来的功。

      当一个物体作功,它就失去能量
      为一个物体作功,它就得到能量
      能量以很多形式存在!

    20201111135853.png

      压缩的弹簧有势能。

      电池有电能。我们可以把电能输出来做功。

      燃料有化学能。发动机可以把燃料(和氧气)转变为功来推动汽车。

    20201111135930.png

      榔头有机械能:

      举起来时有势能(位置的能量))
      敲下时就有动能(运动的能量)

      能量从一种形式转变成另一种形式,或变成热量:

    20201111140015.png

      热量也是一种能量。实际上,总能量是不变的:不能创造或消灭能量。

      这叫能量守恒定律:能量转变,但总能量不变。

      能量离开并从一个系统里消失。电池用电能点亮灯泡,但电池也失去了这些能量。我们的身体经常在失去热量。

      但如果我们说:"能量以热量的形式失去",我们的意思是能量消散到周围的环境里,但并没有在宇宙里消失。

      桑基图(也叫桑基能量分流图或桑基能量平衡图)
      "桑基图"显示能量的去处。箭头的宽度对应能量流量的大小和目的地。

    20201111140130.png

    这是汽车汽油发动机的桑基图:

    20201111140158.png

      注意:"MJ"是兆焦耳(百万焦耳)。把所有箭头相加来确定总能量不变!

      焦耳
      能量和功的基本单位是焦耳(J):

      1焦耳是 1牛顿移动 1米所作的功

      1焦耳 = 1牛顿 × 1米

      焦耳含有牛顿米的单位,即是千克米2/秒2(因为牛顿是千克米/秒2)

      只有在同一个方向的力和移动才能作功,所以更准确的描述是:

      当 1牛顿的力使得物体移动了和力相同方向的 1米距离,所作的功就是 1焦耳。

    苹果 1米

    例子:把 0.1千克重的苹果举起 1米需要多少能量?

    引力苹果力

    把 0.1千克重的苹果举起,需要大约 1牛顿的力和地心引力对抗:

    F = mg

    F = 0.1千克 × 9.8米每秒2

    F  1牛顿

    但拿住苹果不动并不是作功,还需要移动苹果!

    所以用 1牛顿的里向同一个方向把苹果举起了 1米作的功是:功 =  1牛顿 × 1i × cos 0°

      = 1焦耳

      究竟有多大?
      一焦耳大约是:
      水滴
      把 0.1千克重的苹果举起 1米所需要的能量
      苹果跌回地上时释放的能量
      把一滴水的温度加热摄氏 5°所需要的能量
      1瓦特电在 1秒里作的功

    20201111140447.png

      更多:

      LED 灯每秒大约耗电 3焦耳
      在静止状态的人每秒大约释放 60焦耳的热量
      千焦耳(kJ)是 1000焦耳:
      暖风机每秒大约发出 2千焦耳的热量
      烧一杯水来泡咖啡需要 80千焦耳
      兆焦耳(MJ)是 1百万焦耳:
      2500千克重的汽车高速行驶时的能量是 1 MJ
      大屏幕电视机每小时大约用 1 MJ电
      一 kW h(瓦特小时)电是3.6 MJ
      暖风机每小时大约发出 8 MJ的热量
      京焦耳GJ)是十亿焦耳:
      每天太阳晒在屋顶的能量大约是 1 GJ 到 5 GJ
      每(美国)人每年在家大约用 20 GJ的能量

      效率
      效率是指有用能量对总能量功率的百分比。

    20201111140554.png

      例子:汽车里的汽油发动机使用的每 100 MJ(兆焦耳)能量,只有 25 MJ 用来移动的汽车。

    20201111140629.png

      总括
      功是力乘以距离(同一方向!)
      W = F d cos θ
      能量是作功的能力
      能量从一种形式转变成另一种形式,或变成热量
      不能创造或消灭能量(能量守恒定律)
      能量的基本单位是焦耳(J)
      1焦耳 = 1牛顿米
     

    更新:20210423 104218     


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