動能、功與功率
力的思考
力會不會用盡?
力氣似乎會用盡,但有些力(例如把蘋果下拉的力)則持續一直存在。
力有沒有用掉?(或用上?)
以 "作功" 來論
力有無上限?
"力" 似乎不能無中生有
需要有一些 "本" 才能施力或出力(所謂有所本)
這個 "本" 是什麼?
滑輪省力的原因
天下真有白吃的午餐?
力的變化、以能量統合 與 力學的建立
找尋不變量:科學知識的重要哲理
例一、四季變化、
例二、
找尋力的來源的線索
真實表面上,大力推球則初速快且球走得遠,小力推球,則初速慢且球走得近。而球由的運動由快趨緩最終靜止,都是快、慢、停。
從此較光滑的表面來做相同的實驗,也可觀察到出大力速度快,出小力速度慢的現象,因此出力大小的值
怎麼樣的一個量,只要有施 "一樣多的力" 到一個系統,不管在該物體運動的狀態如何?該量的新增都一樣多,這就是我們要找的,與力的施作有關的守恆量。
何謂 "施一樣多的力"?
是一樣久,還是推一樣遠。對於從靜止開始的物體,推了一樣久和推一樣遠可能差不多。但是,東西沒被推動,算不算力的付出?
一個有重量的東西放在桌上不動,達到力的平衡,力一直存在,但物體既未有位置上的移動也沒有速度上的改變,則似乎物理狀態並沒有改變。(由於 f = ma 是一個二階微分方程式,位置與速度就完全決定了質點的一切資訊)
思考實驗:怎樣找一個施力(出力)"固定多" 的裝置
有,彈簧,其施力與只與伸長量有關。
設計一個 "金剛飛拳" ,用不同質量的拳試的話,都要有固定的守恆值,看怎樣形式的 m 與 v 組合可維持與 m 無關。
作業二選一:
(1) 進行實驗確定一條彈簧的力與伸長量的確成正比。
(2) 利用該裝置彈出不同質量的物體(如用小台車載重物,儘可能讓表面光滑),來找出各自的速率。進而分析 m 與 v 的關係。
作業二選一:
利用電腦數值計算獲得使用不同質量大小的射出速度。進而分析 m 與 v 的關係。
(註:此思考實驗讓我們建立動能的形式)
思考
假設施力過程己完成,則物體不再受力,根據牛頓定律,此時靜者恆靜,動者直線等速度運動。我們若要找守恆量,則不太可能會是位置,因為位置隨時間變動,速度則是保持固定不再變動,因比與速度相關量有可能是守恆量。
至於其具體的形式如何?係數如何?需要再進一步評估。
思考實驗 (2)
把 m1、m2 兩個不同質量(未完)
找尋不變量(守恆量)
想辦法找出 d X / dt = 0 這樣的關係,則 X 是守恆量。
動能(參考教科書 Ch.5)
能量
"物質" 與 "能量" 可以說是物理學要研究的最重要的兩種對象,有用的物質叫材料,有用的能量是能源。
能量不滅(守恆),但可以互換
要建立一個好的理論 就要把守恆量找出來及表示出來。力學就是物理學科中的標準典範。此一模式之後造被利用到各物理的分支,建立各種 "力學"。
動能
物體因為運動而具有的能量
K = 1/2 m v2
(注意單位,見課文)
(補充:其大小是是相對於座標系的。問題:那能量守恆不滿足怎麼辦?))
那,K = 1/2 m v2 如何得到?
在各主要參考教科書中是直接定義 ,之後還要用這個定義推導出 "功-動能定理",藉以建立功的定義。其他文獻(包含網路上的)則有很多先把功的定義當作己知,用之導出動能表示式。
在此不深入探討動能如何由推導得到,其實 1807 年便有類似夠公式被提出 ( http://physics.info/energy-kinetic/ )
也有從衝量出發的看法 ( http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=315967 ) 見下
http://www.physicsforums.com/showthread.php?t=78484
功與能
功-動能定理
常數力版本
f = m a
v2 = v02 + 2 a s
(1/2) ( v2 - v02 ) = a s
(1/2) m ( v2 - v02 ) = m a s = f s
Kf -Ki = ΔK = f s
ΔK = f .s (向量版本)
重力作功
力:-mg
力方向位移位移:h
Wg = -mgh
變力版本
利用積分公式(詳見參考課本)
W = ∫x0x Fx(x') dx'
Derivation 5.1 由加總出發 ,見圖 5.14
彈力作功
Fs = -k(x - x0)
set x0 = 0
力:Fs = -k x
力方向位移位移:dx
利用定義 W = ∫x0x Fx(x') dx'
得
Ws = -1/2 k x2
功的定義的建立
因施受力而造成的能量轉移,為功
功是必須要有被作用的對象的,
W = F.d
力乘以施力方向上的移動距離
為什麼 "功" 這個定義有實用的價值?
力可不為零,但能量轉移與否則看作功(可正、可負或不作功)
基本計算能力
固定與變化力的作功
功率 (Power)
單位是瓦/W(瓦特/Watt),常見於各種電器產品之標示
其意義是單位時間發生(消耗、輸出)的能量,符合"功率"這個名稱的翻譯。
瓦特與馬力的互換: 1hp = 746 W
再論加速度
速度的變化率
軌跡對時間的二次微分
加速度的變化率?此變化率的變化率?
到底要收集多少資訊才夠了解運動?
f = m a 的數學與物理上的意義
微分方程式的待定常數(條件),因為二階,所以兩個便足夠;一個是 (初始) 位置,一個是 (初始) 速度。
例題、習題、作業 與 討論
2-* 無空氣阻力時,在平地上最遠拋射積來自 45 度仰角(證明詳解見課本)。
助教示範推導:Ch2-8 再論等加速度運動
4-7 砲擊海盜船
5-4(學生自行閱讀)
5-5 光滑斜面加速度
5-6 雲霄飛車
7-2 斜向施力求作功
7-5 斜面拉上之重力作功
7-8 彈力作功
8-3 水滑梯求末速
討論
雨天過街走或跑?(假設身體為矩形,要考慮雨是直打或斜打)
磚磈上下綁繩拉斷那根?
作業
牛頓生平及其科學域就小傳(限手寫)