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第4章 机械运动中的能量

(1)、“能”的起源

能量的英文“energy”一字源于希腊语,该字首次出现在公元前4世纪亚里士多德的作品中。伽利略时代已出现了“能量”的思想,但还没有“能”这一术语。能量概念出自于17世纪莱布尼茨的“活力”想法,定义于一个物体质量和其速度的平方的乘积。

人们仍认为不同的运动中蕴藏着不同的力。1831年法国学者科里奥利又引进了力做功的概念。科里奥利是对动能和功给出确切的现代定义的第一个人。他把物体的动能定义为物体质量的二分之一乘以其速度的平方,而作用力对某物体所做的功等于此力乘以其克服阻力而运动的距离。

在相互作用力是“耗散力”(如摩擦力)时,设物体由A点(假设它是势能零点)移到B点克服它做功为W,当物体由B点回到A点时,它并不能对物体做功(如克服摩擦力做功时,物体的动能转化为内能,而无法利用这部分内能对物体做功),故不能说由于耗散力存在使物体具有了势能。与此相反,如果上述过程是在保守力作用下进行的,那么物体从B回到A时,保守力对物体做的功正好等于W,这是因为保守力所做的功才只与物体的初始和最终的相对位置有关。如果物体不受其它力的作用那么这个功W就使物体得到同样多的动能。故我们说物体在B点有势能W。总之势能的大小由体系内各物体之间保守力所作的功来量度。势能是属于物体系共有的能量,通常说一个物体的势能,实际上是一种简略的说法。势能是一个相对量。选择不同的势能零点,势能的数值一般是不同的。

直到能量守恒定律被确认后,人们才认识到能量概念的重要意义和实用价值。

宏观物体的机械运动对应的能量形式是动能;分子运动对应的能量形式是热能;原子运动对应的能量形式是化学能;带电粒子的定向运动对应的能量形式是电能;光子运动对应的能量形式是光能,等等。除了这些,还有风能、潮汐能等。

当运动形式相同时,物体的运动特性可以采用某些物理量或化学量来描述。物体的机械运动可以用速度、加速度、动量等物理量来描述;电流可以用电流强度、电压、功率等物理量来描述。

但是,如果运动形式不相同,物质的运动特性唯一可以相互描述和比较的物理量就是能量,能量是一切运动着的物质的共同特性。

(2)动能定理

动能定理是由牛顿第二定律演变而来的,但是这一定理所反映的物理内容却同牛顿第二定律大不相同,牛顿第二定律反映的是力对物体的作用的瞬时效果,具有瞬时性,即只要在某一时刻有合外力作用在物体上,物体就会产生加速度,加速度的大小和方向会决定物体运动状态发生怎样的改变,而动能定理反映的是力对物体的空间积累效应,动能定理对应一个过程,它指出,如果力在某一过程中对物体做了功,物体运动的动能就会发生改变。

牛顿第二定律只解决一个过程中物体受恒力作用、沿直线运动的问题,遇到多过程问题就需要一一分解过程,逐一解决,而动能定理既可以解决恒力,直线运动问题,也可以解决变力、曲线运动问题,而且可以方便的解决多过程的问题,只要不涉及加速度和时间用动能定理比用牛顿第二定律更简洁明了。

初中我们只讲到动能和势能,其实动能中又分平动动能和转动动能。初中提到的动能其实是平动动能,平动动能与物体的质量和速度有关,而转动动能则与物体的转动惯量与转动速度有关。转动惯量又和转动物体的质量和形状有关。物体的质量分布越接近转动轴线则转动惯量越小。

滑冰运动员最初转动时,臂是平伸的,两臂的质量离轴远,而高速转动时他的手臂是举过头顶向上的,两臂的质量离轴很近,也就是运动员的转动惯量由大变小,他的转动动能没有变,所以转速则由小变大,这就是滑冰运动员为什么突然就转快了的原因。芭蕾舞演员突然转快了也是这个原因。

你喜欢打秋千吗?你会打秋千吗?也许你很喜欢却打不好。要知道,会打秋千的人,不用别人帮忙推,就能越摆越高,而不会打秋千的人则始终也摆不起来,知道这是什么原因吗?请你仔细回想一下会打秋千高手的动作:他从高处摆下来的时候身子是由直立逐渐下蹲,而从最低点向上摆时,身子又从下蹲慢慢直立起来。由于他从蹲下到站直时,重心升高,无形中就对自己做了功,身体内化学能减少,重力势能增大。另外,在下降的过程中,因为脚对秋千做了功,人和秋千的总能量也会增加。因而,每摆一次秋千,都使打秋千的人自身能量增加一些。如此循环往复,总能量越积越多,秋千就摆的越来越高了。

你也试试看吧!随着机械能守恒定律的拓展,可以从三个角度用方程表达机械能守恒定律。

1.从守恒的角度选取某一平面为零势能面,如果含有弹簧则弹簧处于原长时弹性势能为零,系统末状态的机械能和初状态的机械能相等。Ek末+Ep末=Ek初+Ep初

2.从能量转化的角度系统的动能和势能发生相互转化时,若系统势能的减少量等于系统动能的增加量,系统机械能守恒。ΔEp减=ΔEk增

3.从能量转移的角度

系统中有A、B两个物体或更多物体,若A机械能的减少量等于B机械能的增加量,系统机械能守恒。ΔEA减=ΔEB增

以上三种表达式各有特点,在不同的情况下应选取合适的表达式灵活运用,不要拘泥于某一种,这样问题才能变得简单快捷。亨利·卡文迪许相关实验装置。卡文迪许利用扭秤装置测出了万有引力定律中的引力常量G。