9-1 物理/能量系统

能量简述

能量是一个概念，最初由 19 世纪的科学家 创造，用来解释为什么某些蒸汽机比其他蒸汽机性能更好。这是因为一些蒸汽机可以改变比其他蒸汽机更多的能量。能量简单来说就是物体或物体组可能发生的的最大变化量。

蒸汽火车；蒸汽机的应用示例。

如今，随着资源的利用（例如煤炭），人们赋予某些物体更多能量，从而使它们能够为我们做有用的事情，例如为我们的电视或电脑供电（为了让你阅读这些内容！），能量已成为一个至关重要的经济、社会和政治话题。

能量储存和系统

系统简单来说就是物体或物体组。想想太阳系；它是围绕太阳运行的行星的集合（这些都是物体）。我们通过观察系统来研究能量。

代表宇宙一部分的星系，宇宙是一个封闭系统。

通常，系统是开放的或封闭的。在开放系统中，物质和能量可以在系统中的物体和周围环境之间进行交换。例如，我们的地球就是一个开放系统，因为来自太阳的电磁辐射让我们保持温暖。另一方面，宇宙是一个封闭系统，因为宇宙之外没有环境可以与之交换物质和能量。

能量以不同的形式储存在物体中，称为能量储存。所有的能量储存都与系统中的运动或物体在系统中的位置有关。

与系统运动相关的能量储存

• 动能（物体的运动）
• 热能（粒子的运动，即物体的温度（物体有多热））
• 电能（带电粒子的运动）
• 电磁辐射（光粒子的运动）

与系统中的位置相关的能量储存

• 重力势能（基于你在空间中的位置的能量）
• 弹性势能（拉动橡皮筋时储存的能量）
• 化学势能（储存在化学键中的能量）
• 磁势能（将两个磁铁放在一起时，它们要么互相排斥，要么互相吸引时储存的能量）

系统变化时的能量变化

当一个系统发生变化时，能量必须从一个储存器转移到另一个储存器，或者在物体之间转移。例如，如果你用手臂举起一支铅笔然后把它掉下来，能量就会从物体的重力势能储存器转移到动能，导致铅笔落到地上。只要你理解并知道每个能量储存，描述系统中的能量变化就非常简单。

除了简单地描述能量变化之外，数学还可以让我们用量级（大小）来展示能量的转移量。在处理物理学中的数学时，理解你的计量单位非常重要。能量的单位始终是焦耳。

能量储存方程式

只要知道汽车的质量和速度，就可以测量汽车的动能。

能量储存方程式非常简单：你只需要弄清楚你正在使用哪个能量储存、你有哪些值以及你要找到哪个值

$E_{k}={\dfrac {1}{2}}mv^{2}$

$E_{k}$动能（以焦耳为单位，${\text{J}}$)

$m$质量（千克，${\text{Kg}}$)

$v$速度（米每秒，${\text{m/s}}$)

如果你想测量汽车的动能，你需要测量汽车的速度（物体移动的速度）（例如用速度枪）并测量汽车的质量（重量）用一些秤（得到它的质量而不是重量！）。然后，你可以将这些值代入上述方程中，并找到汽车的动能。

$E_{e}={\dfrac {1}{2}}ke^{2}$

$E_{e}$弹性势能 (${\text{J}}$)

$k$ 弹簧常数（牛顿/米，${\text{N/m}}$)

$e$ 伸长（米，${\text{m}}$)

为了计算拉伸的橡皮筋的弹性势能，我们只需要知道**伸长**，也就是拉伸的距离，以及**弹簧常数**，它是一个取决于物体的特定值。

$E_{p}=mgh$

$E_{p}$重力势能（${\text{J}}$)

$m$ 质量（${\text{Kg}}$)

$g$ 重力场强（牛顿/千克，${\text{N/Kg}}$)

$h$ 高度（米，${\text{m}}$)

例如，如果你想知道一个物体在地球上被抬升时的重力势能，你需要找到物体的质量和它被抬升的高度，也就是地球和物体之间的距离，以及重力场强，即该区域重力场的强度。在地球上，重力场强约为 9.8N/Kg。

质量和重量的区别是什么？

质量是物体中物质的总量，而重量是作用在物体上的重力。

$w=mg$ 因此，$E_{p}=mw$

如果我们将单位代入重量的方程式，我们可以找到重量的单位。

${\text{Kg}}\times {\text{N/Kg}}={\text{N}}$

热能和比热容

$\Delta E=mc\Delta \theta$

$\Delta E$ 热能变化 (${\text{J}}$)

$m$ 质量（${\text{Kg}}$)

$c$ 比热容 (${\text{J/Kg°C}}$)

$\Delta \theta$ 温度变化 (${\text{°C}}$)

该公式使我们能够了解系统在温度变化时储存或释放的能量量。

物质的比热容是指将1千克物质的温度升高1摄氏度所需的能量。我们可以通过重新排列上述公式，然后代入单位来计算出单位，就像我们用来找到重量单位一样。

$\Delta \theta ={\dfrac {\Delta E}{mc}}\Longrightarrow {\dfrac {\text{J}}{{\text{Kg}}\times {\text{°C}}}}$

**必修实验1在此处**

功率

功率是能量传递的速率。

$P={\dfrac {\Delta E}{\Delta t}}$

$\Delta E$ 传递的能量，能量变化， (${\text{J}}$)

$\Delta t$ 所用时间，时间变化，（秒，${\text{s}}$)

$P$ 功率 (瓦特，${\text{w}}$)

虽然功率以瓦特为单位，但如果我们将单位代入公式，也可以认为它以焦耳每秒为单位。这意味着

${\text{J/s}}={\text{w}}$

这意味着1焦耳每秒相当于1瓦特。

快速问题

主要文章：9-1 物理/能量问题

能量的定义是什么？ 系统（物体或物体组）中可能发生的能量最大变化量。

能量储存的两种主要类型是什么？它们之间的区别是什么？ 与运动相关的能量储存（动能）和与物体在空间中的位置相关的势能储存。

能量的单位是什么？ 焦耳

什么是比热容？ 使 1 公斤物质升温 1${\text{°C}}$ 所需的能量。

什么是功率？ 能量传递的速率。