📜  功能定理

📅  最后修改于: 2022-05-13 01:57:36.526000             🧑  作者: Mango

功能定理

“工作”这个概念在日常言语中很常见,我们理解它是指完成某事的行为。例如,您目前正在通过阅读本文提高对物理学的理解!然而,物理学可能不同意这一点。功能定理解释了为什么这种无功物理学存在!

当操作力使粒子发生位移时,就称做功。没有搬迁就没有工作完成。如果你站的时间长了,你可能会感到疲倦,但根据物理学,你没有做任何劳动。

什么是工作?

一维运动中所做的功可以用方程形式表示为

W = Fdcosθ

其中 W 是功,F 是系统力的大小,d 是系统位移的大小,θ 是力矢量 F 和位移矢量 d 之间的角度。

完成的工作可以是正数或负数,甚至为零。

  • 功:当一个力沿其方向移动物体时,所做的功被认为是正的。示例:球落向地球的运动,在此测量球的位移,是此类工作的一个示例。球沿重力方向移动。
  • 功:当力和位移方向相反时,假定功为负。示例:例如向上抛球时,位移会向上;然而,由于摩擦力将向下。地球的重力将向下。
  • 零功:如果力的方向和位移相互垂直,则力对物体所做的总功为零。例如:当我们用力推墙时,我们施加在墙上的力是无效的,因为墙的位移等于 d = 0。

什么是能量?

工作能力被定义为能量。一些类型的能量包括势能、动能、热能、电能、化学能和核能。运动与所有能源有关。例如,当一个物体在运动时,它具有动能。当弓或弹簧等张紧的物体静止时,它具有产生运动的能力;它的配置具有势能。核能也是势能,因为它来自原子核中亚原子粒子的排列。

能量有很多种形式,这里我们主要关注动能。

动能:

  • 动能是物体或粒子由于其运动而具有的能量类型。
  • 当通过施加合力对物体做功时,该物体会加速并因此获得动能。
  • 动能是运动物体或粒子的属性,由其质量和运动决定。
  • 如果沿着一条路径从一个地方到另一个地方运动,那么物体所拥有的动能就是平移动能,如果绕轴旋转,那么物体就拥有旋转动能。
  1. 转化动能:
    • 物体的平移动能等于其质量 m 和速度 v 乘积的一半,或\frac{1}{2}mv^2
    • 该公式仅适用于低速到中速运动的粒子;对于真正高速的粒子,它产生的值太小。当一个物体接近光速(每秒 3 × 10 8米,或每秒 186,000 英里)时,它的质量会增加,需要应用相对论。
    • 粒子质量超过其静止质量的增加乘以光速的平方等于相对论动能。

质量为 M 并以速度 V 移动的物体

  • 旋转动能:转动体的转动惯量 I 与质量有关,而角速度 (omega) 与线性或平移速度有关。因此,旋转动能等于转动惯量和角速度平方乘积的一半,或者\frac{1}{2}Iω^2

质量为 M、半径为 r 的圆盘沿其轴以角速度 ω 旋转

功能定理

功能定理的陈述是,

功能定理

合力对粒子所做的功 W 等于粒子动能 KE 的变化。

W=\triangle KE

W= \frac{1}{2}mv_f-\frac{1}{2}mv_i

其中 v i和 v f是粒子在施加力之前和之后的速度,m 是粒子的质量。

恒力做功的推导

让我们考虑合力 F 在大小和方向上都是恒定的并且平行于粒子的速度的情况。粒子以恒定加速度 a 沿直线运动。

恒力所做的功

变力做功的推导

可变力是我们每天遇到的最常见的力。变力的功能量公式计算起来有点复杂。考虑一个在一个轴上具有位移而在另一个轴上具有可变力的图形。 x 轴表示位移,而 y 轴表示该图中的力。沿着 x 轴,将图形的区域划分为任意小宽度的矩形。

变力做的功

示例问题

问题 1:一个 2 kg 的球从 10 m 的高度落下。计算从球被释放到落地的那一刻对球所做的功。假设空气阻力可以忽略不计。

解决方案:

问题 2:一辆质量为 500 kg 的汽车以 16 m/s 的速度行驶,在某个点应用汽车的刹车。汽车的制动器提供 4000 N 的摩擦力。确定汽车的制动距离。

解决方案:

问题3:下雨天,司机看到红灯就踩刹车。实测汽车在刹车点后有 100 m 的防滑痕迹停止时,摩擦系数估计为 0.45。司机踩刹车时汽车的速度是多少?

解决方案:

问题 4:2000 kg 火箭的净推进力为 600 N。火箭在很短的时间内从 50 m/s 的初始速度均匀加速到 80 m/s 的最终速度。假设火箭在燃烧燃料时质量保持不变,并且净力指向运动方向。火箭做了多少净功(KJ)?

解决方案:

问题 5:一支 100 克的箭从弓上射出,弓的字符串在 50 厘米的距离上对箭施加平均 150 牛的力。箭离开弓的速度是多少?

解决方案:

问题6:C罗踢了一个足球,它匀速跑了50m,C罗做了多少功?

解决方案:

问题 7:一个 20 kg 的箱子以 4 m/s 的速度移动。一个 100 N 的净力沿其移动方向不断地施加在盒子上,直到它移动了 25 m。盒子的大概最终速度是多少?

解决方案: