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高中物理/力與運動/功與能

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舉重是一個大運動量的體育項目,運動員在舉重時要消耗大量的能量。如果想要知道運動員在舉起槓鈴的過程中消耗的能量,該怎樣測量呢?

做功與能量的變化

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閱讀下面三段話,回答所提出的問題。

  1. 在舉起槓鈴的過程中,什麼力對槓鈴做功?能量怎樣變化
  2. 人在滑梯上下滑時,什麼力對人做功?能量怎樣變化
  3. 箭射出時,什麼力對箭做功?能量怎樣變化

如果說物體受到了力的作用,並在力的方向上發生了位移,我們就說力對物體做了(work)。做功總是與能量的變化密切相關,做功的過程就是能量變化的過程。

功的計算公式

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在初中我們已經學過,當力的方向與物體運動的方向一致時,力對物體做的功可用公式計算。但許多情況下力的方向與物體的方向並不一致,而是存在一個夾角。在這種情況下,這個力做的功該怎樣計算呢?

當力F的方向與運動方向成某一角度時,可以把力分解成兩個力:跟位移方向一致的分力;垂直於位移方向的分力。前一分力與位移方向一致,所做的功為;後一分力與位移方向垂直,沒有對物體做功。因此恆力對物體所做的功W實際上就等於平行於物體位移方向的分力所做的功。

力對物體做的功等於力的大小、位移的大小、力和位移夾角的餘弦這三者的乘積,即

在國際單位制中,功的單位是焦耳,簡稱,符號是J。1J等於1N的力使物體在力的方向上發生了1m的位移所做的功。

功的正負 合力的功

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由功的計算公式可知,力對物體做功可能會出現一下幾種情況:

  • 時,,,表示力對物體做正功;
  • 時,,表示力對物體不做功,物體的重力和地面的支持力都與位移方向垂直,這兩個力都不做功;
  • 時,,表示力對物體做負功,也可以說物體克服這個力做功。

功率

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人和起重機向同一艘船上搬運同樣數量的物品,做了相同的功,起重機所用的時間比人所用的時間少得多。這說明起重機比人做功快得多。用什麼物理量來描述物體(或機器)做功的快慢呢?

功率的含義

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不同的物體做相同的功,所用的時間往往不同。做相同的功,用時少,表示做功快;用時多表示做功慢。在相同的時間內,有的物體做的功多,有的物體做的功少;也是由於做功快慢的不同。在物理學中,我們用功能P來表示做功的快慢。力對物體所做的功W與做功所用的時間t的比值叫做功率(power),即

在國際單位制中,功率的單位是瓦特,簡稱瓦,符號為W。1s內完成1J的功,功率就是1W。1W=1J/s。瓦特這個單位比較小,技術上常用千瓦(kW)作功率的單位。1kW=1,000W。

功率、力與速度之間的關係

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我們知道當力的方向與速度方向一致時,而,則,即功率等於力乘以速度。

勢能

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  • 在經典力學中,主要研究機械能,機械能分為動能和勢能,勢能分為重力勢能和彈性勢能,動能和勢能可以互相轉化。

重力勢能

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重力勢能是由於地球對物體的吸引而形成的,它是標量。需要注意的是,重力勢能是相對於零勢能面而言的,因此重力勢能具有相對性。通常以水平面為零勢能面。

計算公式:

彈性勢能

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發生彈性形變的物體,因它內部各部分之間的相對位置發生變化而具有的能,叫做彈性勢能。

勁度係數為的彈簧,當形變量為是,其彈性勢能為

特別地,我們可以發現重力做功和彈力做功與路徑無關,僅取決於起點和終點的位置。

勢能是系統所共有的

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動能

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動能

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動能是物體由於運動具有的能。物體的動能與物體的質量和速度都有關。

計算公式:

動能是標量,單位與功的單位相同,都是

合外力做功和物體動能的變化

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力對物體做多少功,物體動能就增加多少;物體克服阻力做多少功,物體的動能就減少多少。

機械能守恆定理

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只受到保守力作用,物體的動能及位能的總和不變 如:自由落體,豎直上拋、平拋、斜拋、單擺運動 自由落體運動:只要說明物體做自由落體運動,就知道了兩個已知量:

動能和勢能的轉化規律

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機械能守恆定律的應用

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能量的開發與利用

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能量守恆定律

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能源的利用

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新能源的開發

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