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文檔簡介
目錄
第5課...........................................................................2
第6課.........................................................................42
第7課.........................................................................81
第8課........................................................................125
第5課
1wasgoingtodoabrandnewtopic我們要討論一個(gè)全新的話題
but1didn'twanttogowithoutmakingsure但在此之前我要確認(rèn)一下
everyoneunderstandstheloop-the-loopproblem.每個(gè)同學(xué)都已經(jīng)理解過山車問題了
Becausethat'soneproblemwhere因?yàn)檫@是一個(gè)典型的例子
ifyoudidn'tlearnNewton'slawsandapplythem如果你不能正確地理解和運(yùn)用牛頓定律
properly,
youjustcouldn'tfigureitout,okay?你就無法解決這個(gè)問題
Alltheotherthingswedo,我們討論的一些其它問題
youknow,blocksslidingdownplanes,friction,比如石塊從斜面上滑落摩擦力滑輪
pulleys,
youhaveanintuitivefeelingforthat,你們對這些會(huì)有直覺的認(rèn)識
butthisonereallyisverynon-intuitive,right?但對這個(gè)問題真不知道如何下手
Hereisatrolleyatthetopofthetrack.假設(shè)小車在軌道的頂端
Theforcesonthetrolley,bothgravityandthe小車受的力有重力和軌道給的作用力
forceofthetrack,
arebothpushingdown.而且兩個(gè)力都是向下的
Andthequestionis,"Whyisn'tthatfalling問題是"為什么小車沒有掉下來"
down?"
Everythingispushingdown.所有的力都是向下的
Whyisn'titfallingdown?為什么它不會(huì)落下來
That*sthemystery,這是還沒有解答的問題
sowhat'stheansweryou'dgivetosomebody你要怎么回答如果別人問你
whosays,
"Whyisn'titfallingdown?"Yes?"為什么它沒掉下來"請講
Yes,sotheymightsay,是的他們可能會(huì)說
"Well,ifyousayit'sfallingdown,"如果你說它會(huì)掉下來
howcomeitdoesn'tendupheretothecenterof為什么沒有落在圓圈的中心"
thecircle?"
Yes,somebodyhaveananswertothat,yes?有人能回答這個(gè)問題嗎請說
Pardonme?請?jiān)僬f一遍
No,therearenoforces不對在水平方向上
inthehorizontaldirection;theforcesareall-yes?沒有受力力全都是你請說
It'snotnegligible.它不是可忽略的
Thereisanaccelerationthat'sproducingachange這里確實(shí)有加速度確實(shí)在讓速度改變
invelocity.
Butwhenwesayanapplehasadownward但我們說蘋果有個(gè)向下的加速度
acceleration,
youletitgoanditfallsdown;你一放手它就下落了
that'swhatwethinkisdownwardacceleration.我們就認(rèn)為有個(gè)向下的加速度
Hereissomethingwhichisdownward現(xiàn)在這里也有一個(gè)向下的加速度
acceleration,
butit'snotfallingdown.Yes?但是物體卻沒有下落請說
OK.Yes,I'lltakeonemoreanswer;yes?好的我再聽一個(gè)回答請講
Alright.So,letmesummarizeallthedifferent好的讓我把所有不同的答案總結(jié)起來
answers.
Firstofall,首先
onethingyoushouldremember;你要牢記一件事
therearenohorizontalforceshere.這里沒有任何水平方向的力
TheforcesarewhatI'vedrawn;所有的作用力我都畫出來了
that'swhyyoushouldbevery,verycareful.這就是你們要格外格外注意的
Justbecausesomethinghasatendencyto因?yàn)橐粋€(gè)物體只有向左的運(yùn)動(dòng)趨勢
movetotheleftdoesn'tmeanthere'saforceto不代表它受到了向左的力
theleft.
That'sthewholepointofNewton'slaw,這是牛頓定律的核心思想
forceisconnectedtoaccelerationnottovelocity.力只與加速度有關(guān)與速度無關(guān)
Soyes,thiswillhaveanacceleration,youcannot沒錯(cuò)它確實(shí)有加速度你不能回避這
avoidit.一點(diǎn)
F=m?aw川tellyouT+m?g=m?a,F=m?a說明T+m>g=m*a
andtheathatyouwantinthisproblem,這個(gè)a就是在這個(gè)問題里你所需要的
ifit'smovinginacircle,ism?vA2/R.若物體做圓周運(yùn)動(dòng)這個(gè)a等于m?
vA2/R
So,itisaccelerating,它確實(shí)有加速度
andthedifferencebetweenthisoneaccelerating,和這個(gè)加速度不同的是
letussay,1gototheloop-the-loopand1dropan比如說我坐在過山車上掉了一個(gè)蘋果
apple,
forgetthetrackit*sgotm?gacting,不考慮軌道它受到m?g的作用
it'sacceleratingtoo.蘋果也在加速
What'sthedifferencebetweenthesetwo?這兩種情況有什么區(qū)別呢
Here,westartwithzerovelocity;youaccelerate在這里的初速度為零向下加速運(yùn)動(dòng)
downwards.
Thatmeansyoupickupadownwardvelocity.也就是說你獲得了向下的速度
Asitacceleratesyoukeep隨著速度增加你會(huì)持續(xù)下落
fallingdownandpickingupmoreandmore速度也越來越大
speed.
Thesameacceleration'sexperiencedbythecart這里的車也有同樣的加速度
also,
andalittlemorebecauseTisalsopushingdown.而且加速度還大點(diǎn)因?yàn)門也是向下的
Buttherethechangeinvelocityoveratiny但這個(gè)在短時(shí)間內(nèi)變化的速度
amountoftime
isnotaddedtozerovelocity,并不是加在零速度上
buttothislargevelocityithasatthatinstant.而是加在此時(shí)的這個(gè)很大的速度上
Andthetinyincrementinvelocityifaddedthis如果速度像這樣有了一個(gè)小的增量
way
willproduceavelocityinthatdirection,則將產(chǎn)生一個(gè)在這個(gè)方向上的速度
andwhatthatreallymeansifyouwaitasmall這就表明如果你再等一小會(huì)兒
amountoftime,
thisthingisgoingalongthenewvelocity這個(gè)物體就會(huì)沿著新的速度方向運(yùn)動(dòng)
direction.
So,that'sthedifferencebetween-這就是兩種情況的不同
Sotheaccelerationisthesameforafallingapple在蘋果問題和過山車問題里
asfortheloop-the-loopcart.加速度的情況是相同的
Butintheapple'scase,但在蘋果模型里
itisaddedtozeroinitialvelocity加速度是加在為零的初速度上
sotheaccelerationandthevelocityarethesame,因此加速度和速度一樣即都是向下的
namelydown.
Ifyouhaveahugevelocity如果初始速度就很大
towhichyouaddatinychangeinvelocity,又加上了一個(gè)小的速度改變
thedownwarddirection是向下方向的改變
yourotatethevelocityvector就需要旋轉(zhuǎn)速度矢量的方向了
thatjustmeansthatasitgoesaroundthecircle,這就意味著在它做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)
thevelocityvectorisconstantlytangenttothe速度矢量一直與圓軌道相切
circle.
There'sanotherwayinwhichpeopleunderstand還有另一種理解方式
this.
IfyouareontheEarthandyouarestanding,say,假如你在地球上站在比如說一棟大
onabuilding樓上
andyoufireagun,然后開了一槍
itgoeslikethatandithitstheground子彈應(yīng)該是這樣打到地上的
becauseofaccelerationduetogravity.因?yàn)橛兄亓σ鸬募铀俣?/p>
Ifyoufireitalittlefasterit'llgothere.若子彈的速度再快一些它就落在這里
There'llbeacertainspeed總會(huì)有一個(gè)速度
atwhichitkeepsfalling使得子彈一直在下落
butdoesn'tgetanyclosertothecenter.但不會(huì)接近圓心
Thatisinfacthowyoulaunchabulletintoorbit.這就是把子彈打進(jìn)軌道的方法
So,what'sthefirstthingyoushoulddowhenyou那么當(dāng)你開槍時(shí)你首先要做什么
firethisgun?
Moveawaybecauseit'sgoingtocomeback快閃開因?yàn)樗鼤?huì)飛回來
andgetyoufrombehind.并從后面擊中你
Alrightthat'saveryusefullesson.所以這是非常重要的一課
So,youmightthink,"Hey,1shotitinthat你可能想"我是向那個(gè)方向發(fā)射的
direction,
it'snotmyproblem."不關(guān)我事"
Likeeverythingelseit'llcomeback像所有事情一樣它會(huì)返回來
andgetyouwhenyouleastexpectit.在你意想不到之時(shí)擊中你
Thisishowyouhave";這就是你得到的結(jié)果
So,isthisthingfallingornot?那么物體是不是在下落呢
Itisconstantlyfalling,它確實(shí)在不斷下落
buttheEarthisfallingunderit,但地球也在它下方下落
soit'sendlesssearchtocometotheEarth.因此這是落回地球的無窮之旅
Whereasifyoudropthebullet,當(dāng)你向下扔子彈
it'lljustfallandit'llhittheground;它只會(huì)下落打在地上
that'swhatwealwaysthinkasdrop.和我們通常所認(rèn)為的"下落"
Okay,sothisissomething1didinarush,剛才這些內(nèi)容我上節(jié)課講得很匆忙
and1didn'twantthat我本不想這樣的
becausethisisreallythepartofphysicswhichis因?yàn)檫@的確是個(gè)不太直觀的物理問題
notintuitive,
and1thinkweallknowwhatthemainpointis.我想我們都知道關(guān)鍵問題在哪
Themainpointisvelocityisavector關(guān)鍵在于速度是一個(gè)矢量
anditsvaluecanchangeduetochangein可以因方向的變化而變化
direction,
notchangeinmagnitude.不一定需要有模長的變化
Yessir?請講
Okay,ifyouwaitacertaintime△t,假設(shè)你等待了At的忖間
thentheaccelerationisvA2/r,加速度為vA2/r
putthev,putther,getsomenumber,代入v代入r得到某個(gè)值
multiplybythe△t,1/10ofasecond.乘以At比如0.1秒
That'llbethechangeinthattime.就得到了這段時(shí)間對應(yīng)的變化量
So,inthattime因此在這段時(shí)間里
alsotheguywouldhavemovedoverinthecircle車應(yīng)該在圓圈內(nèi)挪動(dòng)一些
alittlebit,
justpreciselysothatatthatpoint正好使得那一點(diǎn)的
yournewvelocityvectoristangenttoyournew新的速度矢量與你的新位置相切
location.
Sothislittle△v1drewisnotafixednumber;我畫的這個(gè)小Av并不是某個(gè)確定值
itdependsonhowlongyouwanttowait.這取決于你打算等多久時(shí)間
Calculussayswaitaninfinitesimalamountof微積分要求經(jīng)過一個(gè)無窮短的時(shí)間
time,
inpracticewait1/10ofasecondandit'llbefine.實(shí)際中等0.1秒就夠了
Todaythereisavery,veryimportantconcept1今天我要引入的概念非常非常重要
wanttointroduce.
It'saveryrobustandpowerfulconcept;這是一個(gè)非常有活力非常強(qiáng)大的概念
ithastodowithenergy.是關(guān)于能量問題的
Itispowerful說它強(qiáng)大
becauseafterthelawsofquantummechanics是因?yàn)樵趤喸邮澜缋?/p>
werediscoveredinthesubatomicworld,發(fā)現(xiàn)量子力學(xué)的定律之后
webasicallygaveuponmanycherishednotions.我們原則上放棄了很多原來重視的理論
Youmusthaveheard你肯定聽說過
thatparticlescannothaveadefiniteposition在給定的某個(gè)時(shí)刻粒子不可能
anddefinitevelocityatagiventime.同時(shí)具有確定的位置和速度
Theydon'thaveanytrajectories.它們沒有確定的運(yùn)動(dòng)軌跡
Youseeaparticleherenow,你現(xiàn)在在這里看見一個(gè)粒子
thenyouseeitthere.然后你又在那兒看到它
That'struebecausethey'reobservedevents.這是真的因?yàn)榇_實(shí)有人觀察到過
Whathappensinbetween?在這期間發(fā)生了什么
Youmightthinktheyhaveatrajectorybutthey你可能認(rèn)為有軌跡其實(shí)沒有
don't.
Theforcesarenotwelldefined我們無法恰當(dāng)?shù)囟x作用力
becauseifyoudon'tknowwheretheguyis,因?yàn)槿绻悴恢牢矬w的位置
youdon'tknowwhatthevelocityis,就沒法知道它的速度
youdon'tknowwhattheaccelerationis.你不知道加速度是什么
SomostoftheideasofNewtonianmechanicsare因此大多數(shù)牛頓力學(xué)的思想都基本上被
basicallysurrendered,摒棄了
butthenotionofenergyturnsouttobevery而能量概念卻依然很有生命力
robust
andsurvivesallthequantumrevolution.并在量子革命中存活了下來
Infact,thereisaperiod事實(shí)上曾經(jīng)有段時(shí)間
whenpeoplearestudyingnuclearreactions當(dāng)人們研究核反應(yīng)時(shí)
andtheenergyyoubeganwithdidn'tseemtobe發(fā)現(xiàn)初態(tài)的能量似乎并不等于末態(tài)的能
theenergyyouendedupwith.hl
Sosomethingwasmissing.說明我們漏掉了什么
SoNeilsBohr,FatheroftheAtomsaid,因此尼爾斯?玻爾原子結(jié)構(gòu)學(xué)說之父說
過
"MaybetheLawofConservationofEnergyisnot"也許能量守恒定律是錯(cuò)的"
valid."
ThenPaulisaid,但是泡利說
"1think1putmymoneyontheLawof"我賭能量守恒定律是對的
ConservationofEnergy.
1wouldpostulatethat我假設(shè)
someothertinyparticlesthatyouguyscannot有某種肉眼看不到的小質(zhì)點(diǎn)
see,
that'scarryingawayallthemissingenergy."是它們帶走了所有損失的能量"
Thatwasaveryradicalthingtodointhosedays這在當(dāng)時(shí)是個(gè)非常激進(jìn)的觀點(diǎn)
whenpeopledidnotlightlypostulatenew那時(shí)人們不輕易假設(shè)新粒子的存在
particles.
Nowadays,ifyoudon'tpostulateaparticle若放在當(dāng)今你不假設(shè)存在新的粒子
youdon'tgetyourPhDinparticlephysics.你就拿不到粒子物理的博士學(xué)位
Inthosedaysitwasveryradical,但在那時(shí)這是很激進(jìn)的
andtheparticlewasnotseenformany,many泡利說的這種粒子很多年都沒有被發(fā)現(xiàn)
years.
Itwascalledaneutrino.人們稱它為中微子
Nowadays,neutrinosareoneofthemostexciting當(dāng)今社會(huì)中微子是最熱門的研究之一
thingsonecouldstudy.
There'salotofmysteriesintheuniverse有很多宇宙的未解之謎與中微子有關(guān)
connectedwithneutrinos.
Okay,soenergyisaconceptyou'regoingtolearn.那么能量是你們今天要學(xué)習(xí)的概念
Here'sagainaplacewhere1askyou,這里又要我要求你們
don'tmemorizetheformulasandstartplugging不要只是記方程代數(shù)據(jù)
themin.
Trytofollowthelogicbywhichyouaredrivento試著跟學(xué)會(huì)這種概念推導(dǎo)的邏輯
thisnotion,
becausethenit'llbelessluggageforyoutocarry因?yàn)檫@樣你的記憶負(fù)擔(dān)要小一點(diǎn)
inyourhead.
AndI'lltrytomakethenotionasnaturalas我試著盡量自然地把這個(gè)概念傳授給你
possible們
ratherthansaying,"Thisismydefinitionof而不是只說"能量是這樣定義的
energy,
thisisthedefinitionofkineticenergy."動(dòng)能是這樣定義的"
Let'saskwheredoesallthatcomefrom.讓我們探求一下結(jié)果是從何而來的
Howmanypeoplehaveseenkineticandpotential有多少人之前就知道動(dòng)能和勢能
energiesinyourpast?
Okay,ifyouhaven'tseenitthat'sfine,若你之前不知道沒關(guān)系
thisisnotsomethingyou'resupposedtoknow.不要求你一定要知道這個(gè)
Ifyouknowitandyoulearneditproperlyit'llbe若你知道并正確地理解它會(huì)很有幫助
helpful,
butyoudon'thavetoknowthat.不過你不必非得知道
Youjusthavetoknowwhatwehavedonesofar.你只需要知道現(xiàn)在為止我們做了什么
Solet*sgobackandaskasimplequestion.那么我們來回顧一下問個(gè)簡單的問題
Whenaforceactsonabody,當(dāng)一個(gè)外力作用在物體上時(shí)
whatisitsmaineffect?對它主要有什么影響
Whatdoesitdo?可以讓物體做什么
Yes?請講
Bemoreprecisebyitwhenyousay"changesits更精確點(diǎn)闡述"改變它的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)"
motion."
Whatdoesitmeantochangeitsmotion?改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)意味著什么
Yes?請講
Right,that'sfromNewton'sLaw;對了這是依據(jù)牛頓定律
thatmeansitchangesthevelocity.說明這個(gè)力改變了物體的速度
Solet'sforamoment,讓我們小結(jié)一下
infactfortheentirelecturetoday,事實(shí)上今天的全部課程內(nèi)容
gobacktoonedimension.都回到了i維空間
Then,wewilldothewholebusinessinhigher之后我們將在多維里進(jìn)行整體的探討
dimensions.
Inonedimensionchangingthevelocitysimply在一維空間里改變速度意味著提速
meansspeedingup.
Sobodiesaregoingtospeedupandforcesacton因此外力作用于物體物體會(huì)加速
them.
Thatweknow.這是我們清楚的
We'regoingtofindtherelation我們現(xiàn)在要弄清楚
betweenhowmuchspeedisaccumulated當(dāng)物體受到力的作用時(shí)
whenaforceactsonabody;速度是如何增加的
We'regoingtoderivethat.我們要把它推導(dǎo)出來
So,letustakeanexample舉一個(gè)例子
wheretheforceisinthexdirectionanditissome假設(shè)一個(gè)在X軸方向的恒定外力
constant.
"Constant"meaningit'snotvaryingwithtime;"恒定"的意思是不隨時(shí)間變化
somebodyjusthastojustapply10newtons有人用10牛的恒力推物體
constantlytoabody.
Whatdoesthatdo?這會(huì)怎么樣
ThatproducesanaccelerationwhichisF/m,這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)加速度即F/m
right?That'sNewton'sLaw.對吧這是牛頓定律
That*saconstantacceleration.這是個(gè)恒定的加速度
So,let'sgobacktoLectureNo.l.我們回顧一下第一課的內(nèi)容
LectureNo.lwelearned在第一課里我們知道
thatifabodyhasconstantacceleration,如果一個(gè)物體有著恒定的加速度
thenthevelocityattheendisthevelocity那么末速度等于初速度的平方
squaredatthebeginning
plus2timesatimesthedistancetraveled.加上2乘以a乘以運(yùn)動(dòng)路程
That*swhatwelearnedlongback,那是我們很久以前就學(xué)過的
thisisjustkinematics.這是從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度講的
Inthosedayswedidn'task,在那時(shí)我們從來不問
"Whyisithavingaconstantacceleration?""為什么一定是一個(gè)恒定的加速度"
Youwerejusttold,"It^aconstantacceleration,你只知道"加速度恒定繼續(xù)講"
justgoahead."
Nowthatwelearneddynamics,現(xiàn)在我們學(xué)了動(dòng)力學(xué)
weknowaccelerationhasacause,我們知道加速度的產(chǎn)生是有原因的
namelyacertainforce.就是一個(gè)恒定的外力
So,I'mgoingtowritehere我要寫在這里
asyoucanimagineF/mintheplaceofa,你可以想到F/m就是a
butI'mgoingtomakeonemorecosmeticchange但我現(xiàn)在要對這個(gè)符號進(jìn)行一下改動(dòng)
innotation.
Inalltheseenergyformulas,在所有能量方程中
ratherthancallingtheinitialvelocityorinitial初速度或任何初始量的下標(biāo)為0
anything
withsubscriptzeroandthefinalisnosubscript,而末態(tài)量沒有下標(biāo)
wearegoingtouseanotationwhere我們要用符號標(biāo)注一下
thefinalquantitiesaredenotedwithasubscript令末態(tài)量的下標(biāo)為2
2,
initialquantitiesaredenotedbyasubscript1.初始量的下標(biāo)為1
Inotherwords,initially,thebodyhadavelocityof換種說法開始物體的速度為
vl,v{\fsl0}l{\fsl8}
andthenithadanaccelerationaforadistanced,然后在d距離里有一個(gè)加速度a
thentherelationbetweenfinalinitialvelocitiesis那么初速度和末速度的關(guān)系是這樣的
this.
Solet'sputthatF/mhereandlet'sputad.代入F/m再乘以d
Sinceweareinterestedintheeffectoftheforce,因?yàn)槲覀儗ν饬λa(chǎn)生的影響有興趣
wewanttoseewhattheforcedidtothevelocity.于是我們想看看外力對速度有什么影響
Whatyoufindhere在這里你發(fā)現(xiàn)
isthatifyouwanttofindthechangeinthe如果你想知道速度的改變量
velocity,
ofcourseyoushouldtakethisguytotheleft-hand當(dāng)然你得把這?項(xiàng)弄到左邊來是吧
side,right?
Takeittotheothersideandyouwanttoisolate把它移到另一邊你需要求出力F
theforce,
sobringm/2totheleft-handside.將m/2乘到左邊
So,dothatinyourheadandwhatdoyouget?那么心算一下你會(huì)得到什么結(jié)果
(m/2)?v2A2-(m/2)?vlA2=F,d.(m/2)?v{\fslO}2{\fsl8)A2-(m/2)?
v{\fslO}l{\fsl8}A2=F?d
Thisisaveryimportantconcept.這是非常重要的概念
Itsays,whentheforceactsonabody這表明當(dāng)力作用于物體上
itchangesthevelocity,它會(huì)改變物體的運(yùn)動(dòng)速度
anditdependsonhowfartheforcehasbeen這還取決于在力的作用下運(yùn)動(dòng)了多少距
acting,離
howmanymetersyou'vebeenpushingthe你推著物體走了多少米
object.
It*sclearthatifyoudidn'tpushitatall,當(dāng)你一點(diǎn)都不推時(shí)情況很清楚
theneventheforcesacting,即使仍有外力作用
velocityhasn'thadtimetochange.速度也來不及發(fā)生變化
So,itseemstodependonhowfartheforceacted,看起來它取決于外力作用了多遠(yuǎn)
andthechangeisnotsimplyinvelocitybutin改變的不是速度本身而是速度平方
velocitysquared.
That*swhatcomesout;這就是結(jié)果
thenyourealizethatit'sthemostnaturalthingin你發(fā)現(xiàn)給這一項(xiàng)命名是世界上
theworld
togivethiscombinationanamebecausethat's最自然的事因?yàn)檫@就是我們得到的結(jié)
whatcomesoutofthis.果
Thatcombinationiscalledkineticenergy,這一部分就叫做動(dòng)能
andI'mgoingtocallitK2,我稱它為K{\fsl0}2{\fsl8}
meaningKattheendminusKatthebeginningis就是末態(tài)的K減去初始的K等于F?
Ftimesd.d
SoFtimesdisdenotedbythesymbolW,用W來表示F?d
andthat'scalledtheworkdonebyF.這個(gè)W表示F做的功
That'showweintroduceanotion這樣我們就介紹了一種表述
ofaforcetimesdistanceasthedefinitionofwork.功的定義就是力乘以距離
Thisishowpeople-youcansay,這就是人們怎樣也許你會(huì)問
"Whydidanyonethinkoftakingthecombination"為什么會(huì)有人想到讓F乘以d呢"
Ftimesd?H
Well,thisishowithappens.他就是這么想到的
So,youneedtohaveaunitforthis,你需要給這個(gè)一個(gè)單位
whichisactuallynewtonmeters,這實(shí)際上是牛頓米
butwearetiredofcallingeverythinganewton但每次都講牛頓米很煩
meter;
sowe'regoingtocallitajoule.所以我們叫它焦耳
SojouleorJ,isjustashorthandfornewton所以焦耳或者J是牛頓米的簡寫
meters.
Alright,soletusnowwritedownthisfollowing現(xiàn)在讓我們把接下來的表達(dá)式寫下來
expressionhere.
△K,△inanythingwedoisthechangeinanyAK任何符號中的A都是指數(shù)量的變
quantity,化
it'scalleddeltaofthatquantity,它叫這個(gè)量的變化量
AKisachangeinK△K是K的變化量
isequaltotheFtimesthedistancetraveled.它等于F乘以走過的距離
Letthedistancetraveledbesometinyamount△我們讓這個(gè)距離等于一個(gè)微小量Ax
X.
Thisformulaisvalidevenifdis1km,這條公式即使在d等于一千米時(shí)都適用
aslongasforceisconstant.只要力為恒定就行
ButI'msaying,let'sfocusonaproblem,但我是說讓我們專注于一個(gè)問題
whethertheforceisconstantornot,即物體在很短的時(shí)間里走過Ax的距離
overatinyintervalinwhichthebodymovesthe不管力是否恒等
distanceAx.
Then,wefindthatthechangeinkineticenergyis然后我們發(fā)現(xiàn)動(dòng)能變化量等于力乘以△
forcetimes△x.X
Now,whatifthereare36forcesactingonthe如果有三十六個(gè)力作用于物體上怎么辦
body?
Whichoneshould1use?我應(yīng)該用哪一個(gè)
I'mpullingandyou'repushingand—我在拉你在推還有
It'sgottobethenetforce我們要用合力
becauseNewton'sLawconnectsthenetforceto因?yàn)榕nD定律是把合力和加速度聯(lián)系起
theacceleration.來
Ifyouand1haveatugofwar如果我們拔河
andwecanceleachotherouttozero我們相互抵消使合力為零
thenthere'snoacceleration.那就沒有加速度
So,you'vegottogobacktothedefinition;所以你要回到定義上來
thisisvery,veryimportant.這非常非常重要
ThisFbetterbethetotalforce.這個(gè)F最好是合力
1shouldreallyuseasubscriptTfortotal,這里我應(yīng)該標(biāo)個(gè)下標(biāo)T表示全部
but1don'twanttodothatandwewriteF=但我不想這樣做我們寫F=m?a時(shí)
m?a;
itisunderstoodFiseverything.就應(yīng)該明白F是指合力
We'llcomebacklatertothenotionofwhat我們晚點(diǎn)會(huì)講
happens
ifFismadeupoftwoparts.F由兩部分組成時(shí)怎么辦
So,maybeI'lljustgiveyouasimpleexample.舉個(gè)簡單的例子
Here'sabody,right,這有個(gè)物體
andI'mpushingitthiswayandyou'repushingit我從這個(gè)方向推你從那個(gè)方向推
thatway,
let'ssaywithequalforce.兩個(gè)力相等
Andthebodycouldbeatrest這個(gè)物體可能靜止
orifthebodyhadinitialvelocity或者如果這個(gè)物體有初速度
it'llmaintaintheinitialvelocity它會(huì)保持以這個(gè)速度運(yùn)動(dòng)
becausevelocityisforfree.因?yàn)楸3炙俣仁遣恍枰饬Φ?/p>
Then,youcanask,"Whatdoesthistheoremsay?"你會(huì)問"這個(gè)定理說明了什么"
ThisiscalledaWorkEnergyTheorem.這叫功能原理
TheWorkEnergyTheoremsays,功能原理講的是
"Thechangeinenergyis"能量的變化量
isequaltotheworkdonebyalltheforces."等于所有力做功的總和"
Inthiscase,thereisnochangeinenergy,在這個(gè)問題里能量沒有改變
buttherearetwoforcesatworkthatcancel.而是做功的兩個(gè)力相互抵消
Then,itturnsout我們發(fā)現(xiàn)原來
thatitissensibletodefinetheworkdonebyme,分別定義你我所做的功會(huì)很有用
whichisequaltoFtimesthedistancetraveled,我做的功等于F乘以移動(dòng)的距離
andtheworkdonebyyouwillbeinfactgivena而你做的功則用負(fù)號表示
minussign.
So,whendoweattachaplussign那么我們什么情況下加正號
andwhendoweattachaminussign?什么情況下加負(fù)號呢
Ifyougobacktothewholederivation,如果你看回整個(gè)推導(dǎo)
itwasunderstoodthatawasapositivequantity.大家知道a是正數(shù)
Theneverythingworks.然后一切正常運(yùn)作
Butifthebodyismovingtotheright,但如果物體向右運(yùn)動(dòng)
andI'mpushingtotheright,我向右推
thentheworkdonebymeispositive.那么我做的功就是正功
Andifyouwerepushingtotheleft而如果你向左推
andthebodystillmovedtotheright,但物體依然向右運(yùn)動(dòng)
theworkdonebyyouisnegative.你做的就是負(fù)功
Inotherwords,換句話說
ifyougetyourway,namely,如果你能隨便推也就是
thingsmovethewayyou'repushing,你向哪邊推物體就向哪邊運(yùn)動(dòng)
theworkdonebyyouispositive.你做的功就是正功
Ifpeoplearepushingyoucountertoyourwill,如果有人跟你對著干
intheoppositedirectiontoyourforce,向你的反方向推
workdonebyyouisnegative.做的功就是負(fù)功
See,hereisasimpleexample.我們看一個(gè)簡單的例子
1haveapieceofchalk我有一支粉筆
andI'mliftingitatconstantvelocityfromthe我把它從地面勻速抬起
ground.
Itskineticenergyisnotchanging.它的動(dòng)能不變
Thatmeansthetotalworkdoneonitiszero,說明總功為零
butit'snotbecausetherearenoforcesonit.但那并不是因?yàn)闆]有作用力存在
Thereisgravityactingdown有方向向下的重力
andthereismecounteringgravitywithexactly還有我施加的與重力等大反向的力
therightamount.
I'mapplyingtheforcem,g.我施的力等于m-g
So,workdonebymewouldbepositive所以我做的功是正功
because1wantittogoup,因?yàn)槲蚁胨蛏弦苿?dòng)
anditgoesup.而它也確實(shí)在向上運(yùn)動(dòng)
So,ifitgoesupbyanamounth所以如果它向上移動(dòng)了距離h
workdonebymeism?g?h.我做的功就是m?g?h
Workdonebygravityinthemeantimeisminus同時(shí)重力所做的功等于負(fù)的m?g?h
m?g?h,
sothetotalworkdoneiszero.于是總功為零
So,thisformulasaysthisisthetotalforce,所以在這條公式里這是合力
butI'mtellingyouifyoutaketheworkdoneand但如果你把所做的功定義為AW
callitAW
itmaybearesultofmanyworks,它可能是許多力共同做功的結(jié)果
workdonebyme,workdoneyou,workdoneby我做的功你做的功和別人做的功
somebodyelse,
somearepositive,somearenegative,有些是正功有些是負(fù)功
youaddthemallup.你把它們都加起來
So,thatisthenotionofwork所以這表示
donebyoneofmanyforcesactingonabody.作用在物體上的其中一個(gè)力所做的功
Andthetotalworkdone而總功就是
isthealgebraicsumoftheworkdonebyallthe所有力所做的功的代數(shù)和
forces.
Alright,sowe'vegotthisresult,好了得到這個(gè)結(jié)果后
let'sdothefollowing.我們繼續(xù)下面的推導(dǎo)
Letusimagineallofthisoccursinatime△t.假設(shè)這些都發(fā)生在時(shí)間At里
Then△K/At,那么AK/At
whichwilleventuallybecomedK/dt會(huì)最終變成dK/dt
ifyoutakealltheproperlimits取適當(dāng)?shù)臉O限
becomesFtimesdx/dt,會(huì)得到F?(dx/dt)
whichisforcetimesvelocityandthat'scalled也就是力乘以速度我們稱之為功率
power.
So,poweristherateatwhichworkisdone.所以功率就是做功的快慢
Forexample,例如
if1climba12-storybuildingI'vedonesomework;如果我爬十二層高的樓我做的功
mymtimesgtimestheheightofthebuilding.等于我的m-g乘以樓高
1canclimbthebuildinginoneminute,我可能一分種內(nèi)爬上樓
1canclimbthebuildinginonehour;也可能要一小時(shí)
theworkdoneisthesame,做的功是一樣的
butthepowerisameasureofhowrapidlyworkis但功率是用來表達(dá)做功的快慢
done.
That'swhyit'stheproductofforceandvelocity.這就是為什么它是力和速度的乘積
So,theunitsforpowerarejoulespersecond;因此功率的單位是焦耳每秒
now,thatalsohasanewname,它也有一個(gè)新名字
whichiswattorjustW.就是瓦特或者W
Youmayuseakilowatt,你也會(huì)用到千瓦
whichiskW,也就是kW
littlekthenWisthousandwatts.k接上W就是一千瓦特
So,ifyou'vegota60-wattbulb,所以如果你有一個(gè)六十瓦的燈泡
it'sconsumingenergyattherateof60joulesper表示它每秒消耗六十焦耳的能量
second.
That'sthemeaningofa60-wattbulb.這就是六十瓦燈泡的意思
Okay,nowI'mgoingtodothenextgeneralization,我接下來要把這些內(nèi)容再推廣一下
whichiswhentheforceisnotaconstantbut就是當(dāng)力隨著X改變而不是恒定值的情
varieswithx.
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