第五章函数与能量
我们讲了一个物理笑话，那就是物理学家捉迷藏。牛顿站在一米见方的框架里对爱因斯坦说我是帕斯卡。今天，我们也想请他们来露面。不过，在此之前，我们首先要引入一个新的物理概念——功。
功是一种功德无双、功业无双、神功无双的功。左边有一个“功”字，右边有一个“力”字。有这个定义的英语单词非常非常常见，work、work，无论是用作动词还是名词，都有工作的意思。物理书上的“功”这个概念，如果通俗地说，其实就是功。当然，我们先来看看物理书上是如何定义功的。
物理书在给出功的定义之前给出了两个例子。一种是人将车向前推一定距离，另一种是人将重物拉上一定距离。在这两个例子中，推力对汽车起作用，拉力对重量起作用。也就是说，当物体在力的作用下移动一定距离时，力就对物体做功。要做好工作，需要两个因素。一是作用在物体上的力，二是物体沿力的方向移动的距离。你看，如果我们形象地说初中物理势能，力使物体在其作用方向上经过一定的距离，即力做功。有时为了描述方便，将某种力所做的功称为施加该力的物体所做的功。例如，在前面的两个例子中，人们经常说人们在汽车或重物上工作。
在物理学中，功等于力与物体沿力方向移动的距离的乘积。例如，如果您用 3 牛顿的力将汽车向前推动 5 米，那么您推动汽车所做的功就是 3 牛顿乘以 5 米，结果就是 15 牛顿米。功的单位是牛顿米。它被写作牛顿“点”米。意思是牛顿乘米。读数时，读数为牛顿米。在物理学中，它有一个特殊的名字，叫做焦耳。换句话说，一牛顿米等于一焦耳。焦耳也是一位非常强大的物理学家。
好吧，现在是我们讲笑话的时候了。对了，这一天，天上的物理学家又来玩捉迷藏了。爱因斯坦运气不好，又要抓人了。数完之后，他睁开眼睛，发现自己的鼻子都气歪了。其他人都隐藏在视线之外。只有牛顿又笔直地站在那里，脚下又画了一个正方形。爱因斯坦心想：“你这不是在侮辱我的智商吗？”他愤怒地跑过去，用尽全力将牛顿推出了箱子。 “我抓住了你。你是牛顿。现在你的脚下没有正方形了。” “弗雷姆，别说你是帕斯卡。”牛顿狡猾地眨了眨眼，说道：“你刚刚把我推开了一米，现在我就是焦耳了。”
刚才我说了，“功”的定义的英文单词是“work”，就是工作的意思。工作时，有的人工作快，有的人工作慢。做事自然有快慢之分。在物理学中，功率用于表示做功的速度。做功与做功所需时间的比值称为功率，其数值等于单位时间所做的功。这个定义已经告诉我们如何计算功率。这是工作量除以完成工作所需的时间。功的单位是焦耳，时间的单位是秒，功率的单位是焦耳每秒，它还有一个特殊的名字，瓦特。这个名字大家都很熟悉。他是改进蒸汽机的人。功率越大，做功的速度就越快，或者说单位时间内可以做的功就越多。在工程技术中，常用千瓦（kw）作为功率单位。
说完了工作，我们还要了解另一个重量级的物理定义。那就是“可以”。
“能”这个词我们很熟悉。因为我们在生活中总会看到“能量”这个词。能量的概念相对复杂。对于初中阶段来说，只是初步了解。现阶段，物理书上给出的原话是，如果一个物体能够对外做功，我们就说这个物体有能量，简称能量。物体做的功越多，它拥有的能量就越多。
好的。那么我们先来看看动能。物体由于运动而拥有的能量称为动能。因此，任何运动的物体都具有动能。动能与哪些因素有关？这就是物体的质量和速度。简而言之，物体的质量越大、速度越快，其动能就越大。现在很多地方都有风力发电站。风速越快，其动能就越多，可以产生的电能也就越多。因此，这些风力发电站都位于常年风力较大的地方。科幻小说《三体》第三部《死亡不朽》中，宇宙中超级智慧生命体用来毁灭恒星的光粒子，由于速度极高，具有超动能。
说到发电留学之路，大家都知道三峡工程。三峡发电属于水力发电。这种电站通常利用水坝阻挡水流，利用水的高度差来驱动发电机。这里涉及到的是势能。在地球表面附近，物体受重力作用并处于一定高度时所具有的能量称为重力势能。物体的质量越大、位置越高，其重力势能就越大。
前面我们讲弹性的时候，提到了弹性变形，是指物体在外力的作用下发生变形，当外力去除后，物体又可以完全恢复到原来的形状。使用弹簧秤时发生的是弹性变形。拉弓射箭也是如此。弓拉得越满，箭就会飞得越远。物体因弹性变形而具有的能量称为弹性势能。弹性变形越大，其势能越大。
重力势能和弹性势能是两种常见的势能。还有其他潜在的能量初中物理势能，我们将在未来学习。
动能、重力势能和弹性势能统称为机械能。例如，如果我们拿一个球向上扔，我们可以看到，球飞得越来越高的同时，它的速度也在减慢。到达最高点后，它会再次下降，并且下降得越来越快。在这个过程中，球的动能和重力势能不断相互转化。势能可以转化为动能，动能也可以转化为势能。如果整个过程中只有动能和势能的相互转换，则机械能的总量将保持不变。在这种情况下，机械能是守恒的。
