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第五章 机械能及其守恒定律
一、追寻守恒量
在对物质运动基本规律的探究过程中,守恒定律的研究占了重要的地位.从历史发展过程来看,无论是经典物理学还是近代物理学,一些重要的守恒定律常常早于普遍的运动规律而被认识.质量守恒、能量守恒、动量守恒、电荷守恒就是人们最早认识的一批守恒定律,这些守恒定律的确立为人们认识普遍运动规律提供线索和启示,是人们最终认识普遍运动规律不可缺少的重要环节.
益智科学玩具牛顿“秋千”是三百多年前牛顿所发明的仪器(如图所示)用牛顿“秋千”来演示如下内容:把球1向左拉高释放,撞向其余静止的四个球,将会发生什么现象?如果把球1和球2一起向左升起,同时释放,将会发生什么现象?同时升起并释放3个球又将如何?把球1向左升起,球5向右升起,同时释放这两球,将看到什么现象?左边拉起两个小球,右边拉起一个小球,同时释放两球,观察到什么有趣现象?……猜测弹性碰撞17世纪,英国有一个关在伦敦塔下的犯人马尔基斯做了一台转轮永动机,转轮的直径约4.3米,有40个各重23公斤的重球沿转轮辐向向外运动,使力矩增大,如图5—2所示.据说他曾向英国国王查理一世表演过这个装置,国王见了十分高兴,就释放了他.但这个方案明显是违背能量守恒定律的.其实,右侧的重球向外运动使力矩增大时,左侧的重球力矩也大,机器转动的能量在转动过程中因空气阻力和摩擦力的作用,转变成其它能量而越来越少,它能转动较长时间,是因为这台机器的自重很大,靠较大的惯性在维持转动,但终究是要停止的.不可能永远运动下去.
能量、动量、角动量、电荷……等是经典物理学中的守恒量.在微观物理学中,特别是在粒子物理学中,除了这些守恒量之外,还出现许多新的守恒量,如同位旋、奇异数、底数、轻子数、重子数、P宇称、C宇称、G宇称、CP宇称……等.
二、功
换能器与传能器
能量守恒与转化定律告诉我们,能量可以互相转化,变来变去.
但是,一个具体的能量变化能不能实现,还得看周围的条件,拿机械能变成电能来说,一般的机械运动,如风、水流、车辆的行驶……决不会变成电运动.要机械能变成电能,必须具备一定的条件.这些条件在1831年被法拉第发现了,必需有导线切割磁感线,而发电机的作用就是创造这个条件,促进能量转化的进行.我们把使一种形式的能量变成另一种形式能量的机器,称为换能器.
还有种机械,叫传能器,它的作用是转移能量,把能量从一个地方运送到另一个地方.常用的齿轮、链条、连杆、风车、水轮机……都是传递能量的机械.
通常的机器是由换能器和传能器组成的.例如:自行车上的磨轮发电机,就是一个换能器,把人的肌肉运动的机械能变成电能.但是,人腿的肌肉运动,必须通过链条、车架和后轮等传能器,才能传递给磨轮发电机.
2.要点综述
通过生活实例探究理解功的概念正负功的含义并会运用功的定义式求解功解释生活实例.的中F要求是恒力,位移一般是相对地面的,α是位移的方向与力的方向的夹角.
(2)功是标量,当时,力做正功,表示该力是动力,使物体的能量增加.当时,力对物体不做功(力与位移方向垂直),只改变物体运动的方向,不改变速度大小.当时,力做负功,表示该力是阻力,使物体的能量减少.
(3)几个力对物体做的总功,可理解为各个力分别对物体所做功的代数和,也可理解为这几个力的合力对物体所做的功.
(4)求变力做功的一般方法是把变力做功的过程分成无限多小段,在每一小段上可认为力是恒力,用公式求出每一小段上力所做的功,然后相加,只要分的小过程足够小,则所有小段上力做功的总和即为变力所做的功(如图5—3甲、乙、丙).当变力与位移成线性关系时,可先求出变力的平均值,再以这变力的平均值代入中去求功.也即力—位移图象中图线与横轴所围面积.
课堂同步
1.“你挑着担,我牵着马……”.有人认为:《西游记》中,沙僧挑担千里没有做功,八戒扶唐僧上马是做功的.你怎么看?
2.放在水平光滑地面上的静止物体,受F=10N的水平向右的力推动,运动8m时突然将此力反向,但大小不变,一直把物体推回原处(即全过程总位移为0),能否用W=FCos α=2m后撤去推力,物体又滑行=1.6m的距离后停止,设物体与地面间的滑动摩擦力为它们间弹力的0.2倍,取g=10m/s2.求:
(1)推力F对物体做的功
(2)全过程中摩擦力对物体所做的功
(3)推力F作用时,合力对物体所做的功
课后巩固
1.皇马和曼联两支世界著名足球队的来华,北京又一次掀起了足球热.若足球运动员将质量为0.5kg的足球踢出,使足球在水平地面上运动了40m而停止,已知踢球时运动员对球的平均作用力为100N,则人对球所做的功是( )
A.200J B.4000J C.0J D.条件不足,无法确定
2.
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