第五章函數(shù)與能量
我們講了一個物理笑話，那就是物理學(xué)家捉迷藏。牛頓站在一米見方的框架里對愛因斯坦說我是帕斯卡。今天，我們也想請他們來露面。不過，在此之前，我們首先要引入一個新的物理概念——功。
功是一種功德無雙、功業(yè)無雙、神功無雙的功。左邊有一個“功”字，右邊有一個“力”字。有這個定義的英語單詞非常非常常見，work、work，無論是用作動詞還是名詞，都有工作的意思。物理書上的“功”這個概念，如果通俗地說，其實就是功。當然，我們先來看看物理書上是如何定義功的。
物理書在給出功的定義之前給出了兩個例子。一種是人將車向前推一定距離，另一種是人將重物拉上一定距離。在這兩個例子中，推力對汽車起作用，拉力對重量起作用。也就是說，當物體在力的作用下移動一定距離時，力就對物體做功。要做好工作，需要兩個因素。一是作用在物體上的力，二是物體沿力的方向移動的距離。你看，如果我們形象地說初中物理勢能，力使物體在其作用方向上經(jīng)過一定的距離，即力做功。有時為了描述方便，將某種力所做的功稱為施加該力的物體所做的功。例如，在前面的兩個例子中，人們經(jīng)常說人們在汽車或重物上工作。
在物理學(xué)中，功等于力與物體沿力方向移動的距離的乘積。例如，如果您用 3 牛頓的力將汽車向前推動 5 米，那么您推動汽車所做的功就是 3 牛頓乘以 5 米，結(jié)果就是 15 牛頓米。功的單位是牛頓米。它被寫作牛頓“點”米。意思是牛頓乘米。讀數(shù)時，讀數(shù)為牛頓米。在物理學(xué)中，它有一個特殊的名字，叫做焦耳。換句話說，一牛頓米等于一焦耳。焦耳也是一位非常強大的物理學(xué)家。
好吧，現(xiàn)在是我們講笑話的時候了。對了，這一天，天上的物理學(xué)家又來玩捉迷藏了。愛因斯坦運氣不好，又要抓人了。數(shù)完之后，他睜開眼睛，發(fā)現(xiàn)自己的鼻子都氣歪了。其他人都隱藏在視線之外。只有牛頓又筆直地站在那里，腳下又畫了一個正方形。愛因斯坦心想：“你這不是在侮辱我的智商嗎？”他憤怒地跑過去，用盡全力將牛頓推出了箱子。 “我抓住了你。你是牛頓。現(xiàn)在你的腳下沒有正方形了。” “弗雷姆，別說你是帕斯卡。”牛頓狡猾地眨了眨眼，說道：“你剛剛把我推開了一米，現(xiàn)在我就是焦耳了。”
剛才我說了，“功”的定義的英文單詞是“work”，就是工作的意思。工作時，有的人工作快，有的人工作慢。做事自然有快慢之分。在物理學(xué)中，功率用于表示做功的速度。做功與做功所需時間的比值稱為功率，其數(shù)值等于單位時間所做的功。這個定義已經(jīng)告訴我們?nèi)绾斡嬎愎β省＿@是工作量除以完成工作所需的時間。功的單位是焦耳，時間的單位是秒，功率的單位是焦耳每秒，它還有一個特殊的名字，瓦特。這個名字大家都很熟悉。他是改進蒸汽機的人。功率越大，做功的速度就越快，或者說單位時間內(nèi)可以做的功就越多。在工程技術(shù)中，常用千瓦（kw）作為功率單位。
說完了工作，我們還要了解另一個重量級的物理定義。那就是“可以”。
“能”這個詞我們很熟悉。因為我們在生活中總會看到“能量”這個詞。能量的概念相對復(fù)雜。對于初中階段來說，只是初步了解。現(xiàn)階段，物理書上給出的原話是，如果一個物體能夠?qū)ν庾龉Γ覀兙驼f這個物體有能量，簡稱能量。物體做的功越多，它擁有的能量就越多。
好的。那么我們先來看看動能。物體由于運動而擁有的能量稱為動能。因此，任何運動的物體都具有動能。動能與哪些因素有關(guān)？這就是物體的質(zhì)量和速度。簡而言之，物體的質(zhì)量越大、速度越快，其動能就越大。現(xiàn)在很多地方都有風力發(fā)電站。風速越快，其動能就越多，可以產(chǎn)生的電能也就越多。因此，這些風力發(fā)電站都位于常年風力較大的地方。科幻小說《三體》第三部《死亡不朽》中，宇宙中超級智慧生命體用來毀滅恒星的光粒子，由于速度極高，具有超動能。
說到發(fā)電留學(xué)之路，大家都知道三峽工程。三峽發(fā)電屬于水力發(fā)電。這種電站通常利用水壩阻擋水流，利用水的高度差來驅(qū)動發(fā)電機。這里涉及到的是勢能。在地球表面附近，物體受重力作用并處于一定高度時所具有的能量稱為重力勢能。物體的質(zhì)量越大、位置越高，其重力勢能就越大。
前面我們講彈性的時候，提到了彈性變形，是指物體在外力的作用下發(fā)生變形，當外力去除后，物體又可以完全恢復(fù)到原來的形狀。使用彈簧秤時發(fā)生的是彈性變形。拉弓射箭也是如此。弓拉得越滿，箭就會飛得越遠。物體因彈性變形而具有的能量稱為彈性勢能。彈性變形越大，其勢能越大。
重力勢能和彈性勢能是兩種常見的勢能。還有其他潛在的能量初中物理勢能，我們將在未來學(xué)習(xí)。
動能、重力勢能和彈性勢能統(tǒng)稱為機械能。例如，如果我們拿一個球向上扔，我們可以看到，球飛得越來越高的同時，它的速度也在減慢。到達最高點后，它會再次下降，并且下降得越來越快。在這個過程中，球的動能和重力勢能不斷相互轉(zhuǎn)化。勢能可以轉(zhuǎn)化為動能，動能也可以轉(zhuǎn)化為勢能。如果整個過程中只有動能和勢能的相互轉(zhuǎn)換，則機械能的總量將保持不變。在這種情況下，機械能是守恒的。
