目标公式:
适用范围/假设: 加速用恒力(即
★ 真题相关:
用到的公式
| 公式 | 名称 | Formelnheft |
|---|---|---|
| Arbeit(功) | ✅ S. 2 („Arbeit") | |
| Newton'sches Axiom (Aktionsprinzip) | ✅ S. 2 („Newton'sches Axiom") | |
| Schwerkraft (nahe Erdoberfläche)(重力) | ✅ S. 2 („Schwerkraft") | |
| Hooke-Gesetz / Federkraft(胡克定律) | ✅ S. 2 („Hooke-Gesetz") | |
| Kinetische Energie(动能)——目标公式本身在册 | ✅ S. 2 („Kinetische Energie") | |
| Potentielle Energie(势能)——目标公式本身在册 | ✅ S. 2 („Potentielle Energie") | |
| Federenergie(弹簧能)——目标公式本身在册 | ✅ S. 2 („Federenergie") | |
| Leistung(功率) | ✅ S. 2 („Leistung") | |
| 匀加速运动方程 | ❌ 不在 Formelnheft——见 [[Kinematik | |
| kWh 换算 | 能量单位换算 | ❌ 不在 Formelnheft——考场需默写 |
推导(Schritt für Schritt)
A)★ 动能 (五步加速功推导)
- 思路(定义)。
定义为:把质量 的物体从静止加速到速度 所需的功。设用恒力 加速(⇒ ,匀加速运动的全部公式可用)。 - 功的定义(Formelnheft S. 2)。力与位移平行(
),标量积退化为乘积: - 代入力(牛顿第二定律,S. 2):
,故 - 代入路程(匀加速、从静止:
,见 H01 B): (最后一步把 写成 ——纯代数整理。) - 认出速度(匀加速、从静止:
,见 H01 A)。把 替换为 : 每一步的理由:① 用加速功定义动能;② 功的定义;③ 牛顿第二定律;④+⑤ 匀加速运动学。注意 通过 依赖参考系(是相对量)。
B)★ 势能 (举升功)
- 思路(定义)。
定义为:把物体匀速举高 所需的举升功。匀速 ⇒ 举力恰好抵消重力, (若举力更大,多余的功会变成动能,那就不纯是「位置能量」了)。 - 代入重力(Formelnheft S. 2,地表附近):
。近似说明: 这里把 当常量——仅当 时允许(地表到约 40 km 高空 只变化约 1 %)。 - 功的定义(S. 2)。力与位移(竖直向上)平行,路程
: - 结论。 这份功以位置能量的形式储存:
零点( 取在哪)可自由选取——物理上可测的只有能量差。大距离(航天)须改用 ,见 H06。
C)弹簧能 (F-x 图三角形面积)
- 指出困难。 拉伸弹簧时力不恒定:由胡克定律(S. 2),所需拉力随伸长量线性增长,
(这里取大小;负号只表示弹簧力方向与形变相反)。所以不能直接用 。 - 功 = F-x 图线下面积。 与 H01 中「路程 = v-t 图面积」同理:把整个拉伸过程切成许多小段,每小段内力近似恒定、做功
,求和即图线下面积。此处取极限(小段宽度 ),因为只有这样「近似恒定」才严格成立。 - 算面积。
是过原点的直线,从 拉到 的图线下面积是一个三角形:宽 、高 : - 整理:
这份功以弹性势能储存在弹簧里(Formelnheft 写作 ,同一公式)。
D)功率 与 kWh 换算
- 定义(Formelnheft S. 2):功率 = 单位时间做的功:
单位: 。 - 移项得能量。 两边乘
: ——「功率 × 时间 = 能量」。 - kWh 换算(独立验算)。 kWh 是能量单位,不是功率单位:
变量表
| 符号 | 含义 | SI 单位 |
|---|---|---|
| 功;拉伸弹簧做的功 | J | |
| 动能 | J | |
| 势能(均匀场) | J | |
| 力(A:加速力;B:举力 | N | |
| 重力 | N | |
| 质量 | kg | |
| 加速度(恒定) | m/s² | |
| 末速度 | m/s | |
| 路程 | m | |
| 时间 | s | |
| 重力加速度 | m/s² | |
| 举升高度 | m | |
| 弹簧常数 | N/m | |
| 伸长量(末值;过程变量) | m | |
| 功率 | W |