第六章功和能

5/55/5第六章功和能自然界中存在著各種不同形式的物質(zhì)運動，包括機械運動、熱運動、電磁運動以及原子和原子核內(nèi)部的運動等。這些運動形式在一定的條件下都能直接或間接地相互轉(zhuǎn)化。

遠(yuǎn)古時代人們在生活實踐中發(fā)現(xiàn)了摩擦生熱的現(xiàn)象，傳說的發(fā)明鉆木取火(圖6-1),就是機械運動轉(zhuǎn)化為熱運動的一個例子。18世紀(jì)以來，隨著蒸汽機、內(nèi)燃機、發(fā)電機和電動機的相繼問世，人類實現(xiàn)了使各種不同形式運動相互轉(zhuǎn)化，并應(yīng)用于生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域，促進(jìn)了人類文明的發(fā)展。18世紀(jì)中葉，科學(xué)家們?yōu)榱藢\動形式的轉(zhuǎn)化作出量度，提出了能量的概念，簡稱為能。并且對每種形式的運動陸續(xù)提出了跟它們相對應(yīng)的能的概念，例如機械能，內(nèi)能，電磁能，核能等等。運動形式的轉(zhuǎn)化在數(shù)量上可用能量的轉(zhuǎn)化來描述，而發(fā)現(xiàn)和研究各種能量相互之間轉(zhuǎn)化的條件，以及其轉(zhuǎn)化中的數(shù)量關(guān)系也就成了物理學(xué)研究的重要內(nèi)容。這一章我們將學(xué)習(xí)與機械運動有關(guān)的機械能及其轉(zhuǎn)化的規(guī)律。一、功機械運動是人類歷史上最早被利用的運動形式之一。在原始時期，人們就已知道投石擊獸以進(jìn)行狩獵。隨著農(nóng)耕時期的來臨，人們開始揮鋤破土、拉犁耕地以進(jìn)行種植。隨著人類文明的不斷發(fā)展，機械運動在人們的生活和生產(chǎn)中的應(yīng)用也變得越來越廣泛。為了進(jìn)一步實現(xiàn)對機械運動的應(yīng)用，人們發(fā)明并創(chuàng)造了許多各種類型的機械。因此，在我們學(xué)習(xí)機械能之前，需要先學(xué)習(xí)機械功(work)。功的概念在初中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)過功的初步概念。一個物體受到力的作用，并在力的方向上發(fā)生了位移，我們就說這個力對物體做了功。力和物體在力的方向上發(fā)生的位移是做功的兩個不可缺少的因素。當(dāng)人推動物體使其沿水平方向運動時，物體在推力的方向上產(chǎn)生位移，此時推力對物體做了功(見圖6-2(a))。然而，如果物體被墻擋住，人仍以相同的推力推動物體，但物體并未發(fā)生位移，這種情況下推力就沒有做功(見圖6-2(b))。

在推動物體的過程中，我們還需要考慮重力和支持力的作用。盡管這兩個力都作用在物體上，但由于物體并未在豎直方向上發(fā)生位移，因此它們都沒有對物體做功。圖圖6-2做功的多少是由力的大小和在力的方向上位移的大小所決定的。功等于力F和沿力的方向上的位移s的乘積，即W＝Fs。我國法定計量單位規(guī)定功的單位是焦耳，符號是J。1牛的力使物體在力的方向上發(fā)生位移，力對物體所做的功等于1焦。功是一個標(biāo)量。思考在物體從光滑斜面滑下的過程中，你認(rèn)為對物體做功，對物體不做功？為什么？功的一般公式在現(xiàn)實生活中，物體運動的方向并不總是跟力的方向完全一致的。如圖6-3所示，人們用跟水平方向成α角的力F去推或拉一只箱子沿水平道路前進(jìn)時，這個推力或拉力做不做功呢？如果做功，怎樣來計算做功的大小呢？圖圖6-3我們可以將力F分解為兩個分力：與位移方向相同的分力F1和與位移方向垂直的分力F2(見圖6-3)。假設(shè)箱子在水平道路上的位移為s,那么力F1所做的功等于F1乘以s;而力F2的方向與位移s的方向垂直，因此在F2的方向上，箱子沒有發(fā)生位移，所以F2不做功。因此，力F對箱子所做的功就等于它的一個分力F1所做的功，即W=F1s。F1＝Fcosα，所以 W＝Fscosα。這就是說，力對物體所做的功，的大小、位移的大小、力和位移方向夾角的余弦三者的乘積。下面是關(guān)于計算功的通用公式。當(dāng)角度α小于90度時，W為正值，表示力對物體產(chǎn)生了正向的功；當(dāng)角度α等于90度時，W為零，表示力未對物體產(chǎn)生功；當(dāng)角度α大于90度時，W為負(fù)值，表示力對物體產(chǎn)生了負(fù)向的功。例如，在列車行駛過程中，受到阻力的作用。由于阻力的方向與列車的位移方向相反，因此阻力對列車產(chǎn)生了負(fù)向的功。當(dāng)火箭垂直向上發(fā)射時，推力使火箭獲得向上的加速度，從而對火箭產(chǎn)生了正向的功。然而，火箭所受重力的方向與火箭的位移方向相反，因此重力對火箭產(chǎn)生了負(fù)向的功。當(dāng)人提著箱子走上樓梯時，人對箱子的提力使箱子向上移動，故此力對箱子產(chǎn)生了正向的功。而重力則使箱子向下移動，故重力對箱子產(chǎn)生了負(fù)向的功(圖6-4)。圖圖6-4當(dāng)一個力為物體提供動力時，我們稱這個力為施力體，并表示它對物體做了功。例如，機車牽引列車前進(jìn)時，我們說機車對列車做了功。而當(dāng)一個力阻礙物體運動時，我們稱之為阻力，物體需要克服阻力才能繼續(xù)運動。在這種情況下，我們只關(guān)注功的絕對值來表示其大小。例如，阻力對前進(jìn)中的列車做負(fù)功，可以表述為列車克服阻力做功；重力對上升的火箭做負(fù)功，也可以表述為火箭克服重力做功。在幾千年前，人類已經(jīng)掌握了利用機械產(chǎn)生功的技能。我國是世界上最早發(fā)展機械技術(shù)的國家之一。我們的祖先發(fā)明了桔槔(如圖6-5所示)、水車(參見課本彩圖13和圖6-6)等機械裝置，用于產(chǎn)生功。隨著社會生產(chǎn)力的不斷進(jìn)步，人們從依賴人力和畜力作為動力來源，發(fā)展到利用水力和風(fēng)力等可再生能源驅(qū)動機械來產(chǎn)生功(參見課本彩圖11和本章導(dǎo)圖1),以克服阻力或重力，實現(xiàn)機械做功的目標(biāo)。彩圖彩圖13中國古代水車模型圖6-5圖6-5圖6-6思考1．用15牛的水平拉力跟用15牛的斜向拉力，使物體在光滑水平面上都移動0.5米的距離，這兩個拉力所做的功是否相同？2．用平行于斜坡的拉力把一段木材拉上斜坡時，哪些力對木材做了功？木材克服哪些力做了功？練習(xí)二十九1．用起重機把重物從地面勻速提升到高的地方，重物的質(zhì)量是鋼索的拉力對重物做了多少功？2．水壓機用2×106牛的壓力，使烤紅的鐵塊壓縮水壓機的壓力對鐵塊做了多少功？3．自動扶梯把質(zhì)量是的乘客送到高的樓上，自動扶梯的支持力對乘客做了多少功？4．把一塊長的木板擱在高的卡車車廂邊上，