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第五章功和能 ——做功是谁在干活？能量是什么？机械能包括哪些？ 我们讲过一个物理笑话，就是物理学家们躲猫猫，牛顿站在一个一米见方的框子里，对爱因斯坦说我是帕斯卡的那个。今天，我们还要请他们出一下场。不过，在这之前，先要介绍一个新的物理概念——功。 功，就是功劳、功课和神功盖世的那个功。左边一个“工”字，右边一个“力”。这个定义的英文单词是非常非常常见的，work，w-o-r-k，无论是当动词还是当名词，都有干活儿的意思。物理书上这个“功”的概念，如果通俗的说，其实就是干活儿。当然啦，咱们先来看看物理书是怎么定义功的。 物理书在给出功的定义之前，先举了两个例子。一个是人用力推着小车前进了一段路，另一个是人拉着重物上升了一段距离。在这两个例子中，推力对小车做了功，拉力对重物做了功。也就是说，物体在力的作用下移动了一段距离，这个力就对物体做了功。做功，需要两个因素。一是要有作用在物体上的力，二是物体在力的作用方向上通过的距离。你看，如果我们形象点说，力让物体在力的作用方向上通过了一段距离，也就是力干了活。有时候为了叙述方便，把某个力做功说成施力的物体做了功。比如在前面两个例子里，也常说人对小车或者重物做了功。注意，在讨论做功的时候，力的作用方向和物体的移动方向必须是一致的。 物理学中规定，功等于力与物体在力的方向上移动的距离的乘积。比方说，你用3牛顿的力推动一个小车前进了5米，那你的推力对小车做的功就是3牛顿乘以5米，结果就是15牛顿·米。功的单位就是牛顿·米，写起来是牛顿“点儿”米，它的意思是牛顿乘以米，读的时候就读牛米。在物理学里专门给它一个名称，叫做焦耳。也就是说，一牛顿·米等于一焦耳。焦耳也是一个很厉害的物理学家。 好啦，现在我们就该讲那个笑话啦。话说啊，这一天，天堂里的物理学家们又来玩躲猫猫了。爱因斯坦倒霉，又该他来抓人。等他数完了数儿，睁眼一看，鼻子都气歪了。别人都藏得看不见影儿了，只有这个牛顿，又直挺挺往那儿一站，脚底下那儿又画了一个方框。爱因斯坦心想你这不是侮辱我的智商嘛，于是气哼哼的跑过去，使劲儿把牛顿从方框里推了出来，“我抓住你啦。你就是牛顿。现在你脚底下没有方框儿，不许说你是帕斯卡了。”牛顿狡猾地眨了眨眼睛说，“你刚才把我推开了一米，现在我是焦耳了。” 刚才说了，功这个定义的英文单词就是work，干活儿，工作的意思。干活儿的时候，有人干得快，有人干得慢。那做功呢，自然也是有个快慢之分。在物理学中，用功率表示做功的快慢。功与做功所用时间之比叫做功率，它在数值上等于单位时间内所做的功。这个定义已经告诉我们怎么计算功率了。那就是用功除以做功的时间。功的单位是焦耳，时间的单位是秒，那功率的单位就是焦耳每秒，它也有一个专门的名称，瓦特。这个名字大家熟悉吧，就是那个改良蒸汽机的人。功率越大，说明做功越快，或者说，在单位的时间里，能做的功越多。在工程技术上常用千瓦（kw）作为功率的单位。 说完了功，我们要认识另一个重量级的物理定义了。那就是“能”。 能这个字眼儿我们不陌生。因为生活中我们总会看到“能量”这个词。能的概念比较复杂。对于初中阶段来说，只是初步认识一下。在这个阶段，物理书上给出的原话是，物体能够对外做功，我们就说这个物体具有能量，简称能。物体能做的功越多，说明它具有的能就越大。 好。那我们先来看看动能。物体由于运动而具有的能叫做动能。所以呢，只要是运动的物体就都具有动能。动能和哪些因素有关呢？那就是物体的质量和速度。简单来说，一个物体的质量越大，速度越快，它的动能也就越多。现在很多地方都有风力发电站。风速越快，具有的动能就越多，能发出的电也就越多。所以这些风力发电站都设在常年刮大风的地方。科幻小说《三体》的第三部《死神永生》里面，宇宙中超级智慧生命摧毁恒星时候用的光粒就是由于速度极大而具有了超强的动能。 说到发电，大家都知道三峡工程。三峡发电是属于水力发电。这种电站一般都是用大坝拦住水流，利用水的高低落差来驱动发电机。这里涉及的就是势能了。在地球表面附近，物体由于受到重力并处在一定高度时所具有的能，叫做重力势能。物体的质量越大，位置越高，它具有的重力势能就越大。 我们前面说到弹力的时候说过弹性形变，就是说在外力的作用下物体发生了形变，而当外力撤消后，物体能完全恢复原来形状。弹簧秤在使用的时候发生的就是弹性形变。拉弓射箭也是一样，弓拉得越满，射出去的箭飞得也就越远。苏轼老先生有句诗“会挽雕弓如满月，西北望，射天狼”，瞧瞧，把弓弦拉得像满月一样，箭都能射到天狼星上了。物体由于发生弹性形变而具有的能叫做弹性势能。弹性形变越大，它的势能也就越多。 重力势能和弹性势能是常见的两种势能，还有其他的势能，将来会学到。 动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。举个例子，我们拿一个球使劲儿往上抛，可以看到球在越飞越高的同时，速度也在不断变慢，到达一个最高点后，又会落下来，而且越落越快。在这个过程中，小球的动能和重力势能不断相互转化。势能可以转化为动能，动能也能转化为势能。如果在整个过程中，只有动能和势能的相互转化，机械能的总量将保持不变。这种情况下，机械能是守恒的。 |
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