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目标公式:

Ekin=12mv2,Epot=mgh,WH=12kx2,P=Wt,  1kWh=3,6106J

适用范围/假设: 加速用恒力(即 a=konst.)、从静止出发(v0=0);Epot=mgh 仅在均匀重力场(地表附近、h 小,g 视为常量)成立;弹簧能仅在弹性范围(胡克定律线性区)成立。

真题相关: EkinEpot 的推导在真题中以原话 „Ableitungen durchführen" 被要求过(主题 8 真题卷)。

用到的公式

公式名称Formelnheft
W=FsArbeit(功)✅ S. 2 („Arbeit")
F=maNewton'sches Axiom (Aktionsprinzip)✅ S. 2 („Newton'sches Axiom")
F=mgSchwerkraft (nahe Erdoberfläche)(重力)✅ S. 2 („Schwerkraft")
F=kΔxHooke-Gesetz / Federkraft(胡克定律)✅ S. 2 („Hooke-Gesetz")
Ekin=mv22Kinetische Energie(动能)——目标公式本身在册✅ S. 2 („Kinetische Energie")
Epot=mghPotentielle Energie(势能)——目标公式本身在册✅ S. 2 („Potentielle Energie")
Eelast=kx22Federenergie(弹簧能)——目标公式本身在册✅ S. 2 („Federenergie")
P=ΔWΔtLeistung(功率)✅ S. 2 („Leistung")
v=ats=12at2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 1kWh=1000W3600s

推导(Schritt für Schritt)

A)★ 动能 Ekin=12mv2(五步加速功推导)

  1. 思路(定义)。 Ekin 定义为:把质量 m 的物体从静止加速到速度 v 所需的。设用恒力 F 加速(⇒ a=konst.,匀加速运动的全部公式可用)。
  2. 功的定义(Formelnheft S. 2)。力与位移平行cos0°=1),标量积退化为乘积:W=Fs
  3. 代入力(牛顿第二定律,S. 2):F=ma,故W=mas
  4. 代入路程(匀加速、从静止:s=12at2,见 H01 B):W=ma12at2=12m(at)2(最后一步把 aat2 写成 (at)2——纯代数整理。)
  5. 认出速度(匀加速、从静止:v=at,见 H01 A)。把 (at) 替换为 vW=12mv2=Ekin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 Ekin 通过 v 依赖参考系(是相对量)。

B)★ 势能 Epot=mgh(举升功)

  1. 思路(定义)。 Epot 定义为:把物体匀速举高 h 所需的举升功。匀速 ⇒ 举力恰好抵消重力,F=FG(若举力更大,多余的功会变成动能,那就不纯是「位置能量」了)。
  2. 代入重力(Formelnheft S. 2,地表附近):F=FG=mg近似说明: 这里把 g 当常量——仅当 hRE 时允许(地表到约 40 km 高空 g 只变化约 1 %)。
  3. 功的定义(S. 2)。力与位移(竖直向上)平行,路程 s=hW=Fs=mgh
  4. 结论。 这份功以位置能量的形式储存:Epot=mgh零点(h=0 取在哪)可自由选取——物理上可测的只有能量。大距离(航天)须改用 Epot=GMmr,见 H06

C)弹簧能 WH=12kx2(F-x 图三角形面积)

  1. 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,F(x)=kx(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 W=Fs
  2. 功 = F-x 图线下面积。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 F(x)Δx,求和即图线下面积。此处取极限(小段宽度 0),因为只有这样「近似恒定」才严格成立。
  3. 算面积。 F(x)=kx 是过原点的直线,从 0 拉到 x 的图线下面积是一个三角形:宽 x、高 F(x)=kxWH=12xkx
  4. 整理:WH=12kx2这份功以弹性势能储存在弹簧里(Formelnheft 写作 Eelast=kx22,同一公式)。

D)功率 P=W/t 与 kWh 换算

  1. 定义(Formelnheft S. 2):功率 = 单位时间做的功:P=ΔWΔt(过程均匀时简写 P=Wt单位:1W=1J/s
  2. 移项得能量。 两边乘 tW=Pt——「功率 × 时间 = 能量」。
  3. kWh 换算(独立验算)。 kWh 是能量单位,不是功率单位1kWh=1000W3600s=3600000J=3,6106J

变量表

符号含义SI 单位
WWH功;拉伸弹簧做的功J
Ekin动能J
Epot势能(均匀场)J
F力(A:加速力;B:举力 =FG;C:拉力 =kxN
FG重力N
m质量kg
a加速度(恒定)m/s²
v末速度m/s
s路程m
t时间s
g重力加速度 =9,807 m/s²(Formelnheft S. 1;讲义常用 9,81m/s²
h举升高度m
k弹簧常数N/m
xx伸长量(末值;过程变量)m
P功率W

关联

  • 所用运动学公式 v=ats=12at2 的推导 → H01
  • EkinEpot 联手出场(能量守恒应用)→ H03
  • 大距离势能(GMm/r、Gravitationsenergie)→ H06
  • 讲义出处:主题 8 §8.5(五步推导、势能、功率、kWh)、主题 8 §8.4(弹簧能三角形面积)