万物皆数(科三第七课)

一直以来都暗戳戳的想:庞老师什么时候能出点题目给咱刷一刷呢?感觉自己懂得老多了,如果再咔咔地做些题,岂不无敌了?那感受,想想就觉得开心。

今天我们学习能量。


用力推墙墙不动,表示你没有对墙做功,一直想不明白这事:自己明明用了很大的力气呀?所谓的做功是指将能量从一个地方转移到另外一个地方,或者将能量从一种形式转化为另外一种形式。推墙这事显然不符合概念的描述,因此没有做功。或者说做的是“无用功”。但当举重运动员呲牙咧嘴面目狰狞地将杠铃举过头顶的时候,我们都明显的感受到TA做功了,光是想象一下如果运动员一松手杠铃掉下来砸到脚……想想就觉得好痛好害怕。因为运动员的举杠铃动作使杠铃产生了重力势能(即地球对其做功),能量因为做功使杠铃的位置发生了改变——从地面到运动员头顶,也使动能转换为势能。势能即位置改变所拥有的能量,品种还挺多的,比如用力拉扯皮筋或弹簧产生的弹性势能(跟物质内部的应力有关),被举起的杠铃具有的引力势能(跟其质量有关),电场中电荷之间的电势能,磁场中不同的极产生的磁力势能。

做功即涉及能量转移,一种是克服另一个力做功,被克服的属自然力,如引力、磁力、弹力等;另一种是改变物体的速率。力的单位是牛顿(N),一牛顿的力相当于拉动一公斤质量的物品以每秒9.8米的加速度前进。

能量是使物品做功的能力,单位为焦耳。具体到数字表达则表现为各种各样的计算公式,这也是最迷人的地方。许许多多的科学家穷其一生就是为了找到最美丽简洁的数学公式。

功=力X距离。想要将一桶混凝土运到10米高的地方,需要做的功是确定的,如果加大运输的距离,则用的力会小的多。这也是各种滑轮和千斤顶的工作原理吧。

动能=1/2质量X距离的平方

引力势能=质量X重力加速度X距离(相对高度)

问题来了。

质量140克、能量2240千焦的方便面,相当于从多高的距离砸下来的能量?

E=m.g.h

h=E/m.g=2240*10^3/0.14kg*9.8m/s^2=2240*10^3j/1.372=1.6*10^6m=1600KM

也就是说,小小一包140克的方便面,所包含的能量竟然相当于从1600公里高空往下砸东西!焦耳,即相当于对能量的定量考察。万物皆数,没有定量考察,一切皆是混沌。

记得《数学恩仇录》中记录了这样一个小故事。天文学家哈雷观测到一颗彗星️绕地球运动有规律可循,但具体到哪一天则需要精确的计算。按照当时的数学公式无法计算出准确的数值来。哈雷遂拜访科学大咖牛顿同学,问询有无解决办法。牛顿同学在在自己乱糟糟的工作台面上翻了翻,说以前算过,找不到了,一周后重新帮你算一次。虽然哈雷去世十几年后“哈雷彗星”才接近地球并被人们观测到,但哈雷的预测最终还是得益于牛顿的关于椭圆的计算公式。

万物皆数,离开精确的数学表达,一切科学研究皆没有现实意义,更不可能转化为可以给人类生活带来便利的各项发明创造。

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