在中学物理中,功与功率是研究能量的基础,同时,它们也是我们生活中常见的物理单位之一,例如:在描述一个灯泡的照明强度时,我们通常会说这个灯泡是多少瓦特的,而瓦特就是功率的单位。现在,我们就来看看本文的重点,功与功率吧!
物体在做简单的机械运动过程中,当物体受到一个力后,在力的作用下运动了一定的距离,那么我们就说这个力对物体做了功。因此,功在物理学中含义就是力与力作用位移的乘积,用表达式来描述它们的关系是,即W=F×S。其中,符号W为功,符号F为力,符号S为位移。
因此,功的单位可以为N*M。但是为了感谢焦耳在热能上的研究贡献,因此,国际规定功的单位就是焦耳,符号J。因此,1J就等于作用在物体上1N的力使物体移动1M的位移。
在这里不禁使人想到了力矩,在前面的文章力,我们提到了力矩就是力与中心轴距离的乘积,其表达式也为M=F×L,在式中,M为力矩,F为力,L为长度单位,因此,力矩的单位为N*M。这就使人不得不怀疑,功与力矩究竟有什么关系。
在这里我可以明确的告诉大家,功与力矩没有必然的联系,力矩的大小反应的是物体转动程度难易的标量,而功的大小则反应的是跟能量有关的物理量。但两者的共同点都是有力,这个大家是要区分开来的。
在进一步研究功后,人们发现,功的大小还跟力与位移之间的夹角有关,即功W=F×S×cosα。其中α为力与位移之间的夹角。当然,这里所说的功是指恒力所做的功,对于力的大小不变,但方向在变的情况下对物体所做的功,其功的大小可以借助微积分方法来求出,此种变力下所的功为力与路程的乘积。
在功的定义式中就能看出,功与力是同时存在,同时消失的。也就是说,求几个力对物体所做的合功时,并不能用物体受到的合力乘以位移求出,而是用所有的力所做的功的累积,故而,W合=W1+W2+W3+……+Wn。在此,本人提出一个问题,即物体在做平抛运动时,物体所做的功又该怎么求呢?
当物体做平抛运动时,物体在竖直方向上只受到重力的作用,而在水平方向上做匀速直线运动,但是,物体做平抛运动时,物体只受到了重力一个力,但是,根据功的定义W=F×S×cosα可知,此时重力对物体所做的功是不是用力乘以物体的实际位移S呢?这个说法貌似很有道理,但其实又充满了矛盾。
因为,物体上所有力所做的功是互不影响的,即物体做平抛运动时,重力对物体所做的功为W=G×h×cosα。因为α为零,故而cosα就等于1,因此,重力所做的功为重力G乘以高度h。而且,平抛的物体只受到重力的作用,因此它的功就为重力所做的功。大家不妨想想,到底哪种说法正确呢?
功就说到这里了,而在生活中,我们常见的就是功率了,在物理学中,功率就是功与时间的比值,即P=W/T。在式中,P为功率,单位为瓦特,符号为w,而大写的W为功,T为时间。将功率的定义式进行变换后就可得出,P=F×V。
其中,V为物体的平均速度,在平均速度下求出的功即为平均功率。根据P=F×V可知,当汽车的发动机输出功率一定时,汽车如果要顺利的爬上坡,那么就必须减小速度来获得更大的牵引力。