作功(也叫机械功)就是力移动一个距离。
没有移动就没有功!
这些人在作功,因为他们在举重
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
这个也不在作功
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°。
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:
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!
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。
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:
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。
这是汽车汽油发动机的桑基图:
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。
例子:把 0.1千克重的苹果举起 1米需要多少能量?
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
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。
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。
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