功能原理及其定量考察(科三第八课)

先来做一道小学四年级的数学题:一堆橘子分给小朋友们,如果每人分3个,还剩28个;如果每个人分5个,还差24个。问有几个小朋友?一共多少个橘子?(不可以列方程)

这样的题目对于四五年级的小朋友来说很常见,想通了28与-24之间的距离,就很容易理解了。小学阶段也应该引入负数的概念,画个数轴更容易理解吧?如果题目换一下,每个小朋友分两个还剩68个,分四个还剩16个呢?就应该是68与16之间的距离了。这一层关系庞老师提过很多次,只是目前为止我还没有找到一个合适的点将它们串起来,慢慢积累吧。


众所周知,安慰感冒发烧的人的时候,最后总会加上一句:多喝水,多休息。这个建议一点没错,可是,Why?

有一个词很多人应该并不陌生:比热容。用比较专业的方式来表达就是,Hold住能量的能力。而水因为氢键的缘故,可以hold住更多的能量。人类其实是一种特别脆弱的生物,冰河世纪里面的一句台词说的很贴切:没有尖牙,没有利爪,只有一撮毛。人体能够耐受的温差很小,即所谓的恒温动物。正因为如此,水对人类来说就显得尤为重要,水是人类保有恒温的重要介质。人体要保持稳态,身体各器官协同工作的状态就不能被打破,否则就会有生命危险。因此,人们在发烧的时候必须补水,而且是喝热水。因为热水的水分子更活跃,热量更容易蒸发出去,随着水分的蒸发,人体的温度才能更快的降下来,恢复常态。需要注意的是,补水出汗的同时还应该关注到人体电解质平衡不能被打破,一旦电解质紊乱,可能会引起抽搐、惊厥等。想要避免其实也比较容易做到,及时补充盐水或柠檬水等即可。人体保持稳态属于生物稳态,而化学稳态恰好相反,达到化学稳态的时候很少,不平衡是常态。

我们再来看看功能原理。

功是能量的传递,功减少了做功系统的能量,增加了接受功的系统的能量,这两个能量大小的变化都等于所做的功。当汽车加速时,它获得的动能来自对它做的功;反之,当汽车减速时,需要做功来减少它的动能。在这里,功等于动能的变化,这就是功能原理。这里的功是指净功(net work),即合力(net force)所做的功。净功可能为零,即物质静止或运动状态没有发生变化,这就是牛顿第一运动定律;净功也可能不为零(正或负),物质的运动状态发生改变(加速或减速),这就是牛顿第二运动定律。是不是很神奇?

当人们挥杆击打高尔夫️球的时候,力+质量=加速度,此时的高尔夫球从静止状态获得加速度,飞速前进;力+距离=能量,对物体做功,让物体发生位移,则会产生动能或势能。当然,在球杆击打到球的那一瞬间,也会产生热能,让球变形,但因为球本身有弹性,很快就恢复原状。所谓的弹性,就是因为外力的作用让分子(原子)发生变形的能力,但不会永久变形。如果永久变形的话就是另外一个概念了——可塑性。如果势能为化学势,则会发生化学反应,或溶解。

PS:

这一段讲错了,需要更正一下,准确的表述应该是:(作用在系统上的)净力=质量x加速度;

做功=(作用在系统上的))力x(系统在该净力方向上移动的)距离。

再来一道题,加深一下功能原理的定量考察。

时速90km/小时行驶着的车辆与时速30km/小时行驶的车辆,完全停止的距离比是多少?

d=1/2at^2

动能=1/2mass*speed^2=1/2mv^2=1/2质量*速度^2

90^2/30^2=810/90=9

虽然两车的时速比是1:3,但完全停止下来的距离比却是1:9。

庞老师用单摆的能量转换图来加深我们对能量守恒定律的理解。能量既不会被创造,也不会被毁灭,只会从一种形式转化为另外一种形式,但总的能量永远不会发生改变。不过,单摆在摆动过程中因为空气阻力等缘故会发生能量损耗,如果没有外力介入的话,单摆永远无法达到原先的高度。这也是机械表需要电力来补充,否则就会越走越慢,发生误差;或者过一段时间需要有人来手动调节。就像电影《雨果》里面的车站系列大钟,有专门的钟表匠来定期调节。

最近,美国能源部宣布了一项载入史册的核聚变成就!位于加州劳伦斯利弗莫尔国家实验室(Lawrence Livermore National Laboratory )成功取得了核聚变的突破。根据试验结果,该团队使用2.1兆焦耳的能量,创造了3.15兆焦耳能量的输出,实现了人类能源史上的重大突破。杨同学的疑惑是:不是说能量守恒吗?多出来的能量哪里来的?多出来的部分就是,两个轻原子核结合形成一个较重的原子核,同时释放大量能量的过程。内在能量被激发?

总的来说,到了分子、原子的层面,很多问题都能得到解决,很高兴有机会学习这些知识。

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