這個問題挺好的,有助於學生深入理解物理單位。
物理量的單位怎麼來的?根據國際單位制七個基本單位和物理公式算出來的。單位參與運算。
比如速度v=s/t,s的單位是m,t的單位是s,v等於s除以t,所以v的單位就是m/s
【例】某人走路,10秒鐘走了20米,速度是多少?
【答】v=s/t=20m/10s=2m/s
動能Eₖ=mv²/2,這裡的2是個沒有單位的常數,不參與單位的運算。因此單位方程就是Eₖ=mv²了,也就是Eₖ的單位是(kg)×(m/s)²=kg·m²/s²,這個單位很少這麼寫,它有個更響亮的名字:焦耳,也就是J。
而動能不光包含單位,還有數字,所以計算動能的時候不能省略常數1/2,必須用Eₖ=mv²/2
【例】某物體質量是5kg,速度是2m/s,動能是多少?
【答】Eₖ=mv²/2=5kg×(2m/s)²/2=5kg×4m²/s²/2=5×4/2 kg·m²/s²=10J
~~~~~~~~~~~~~~~~~
“單位方程”其實就是物理量的定義式去掉了純數字常數,這個概念現在的教學中已經不提了,也沒必要單獨記憶什麼單位方程。
至於動能下標的問題,能量在物理上用E表示,但是在力學中常見的有兩種機械能——動能和勢能,為了防止混淆,動能用Eₖ,勢能用Eₚ
================================
補充一個:
初中物理學過功是W=Fs,單位是N·m,也是焦耳,功和能的單位為什麼一樣?
因為kg·m²/s²=kg·m·m/s²=kg·m/s²·m=N·m
關於係數1/2的問題,繼續補充。
做個不太嚴格的推導:
對於自由落體運動,初速度為0,加速度a=g,根據v²-v₀²=2ax得到2gh=v²也就是gh=v²/2
所以重力勢能Eₚ=m·gh=mv²/2
看到了吧,係數1/2不是硬加進去的,是理論推導的結果,推匯出來的動能本身就帶係數1/2,去掉之後就不是動能了,是……動能的兩倍。
所以說Eₖ=mv²是錯誤的,如果你非要去掉1/2,把動能定義為Eₖ=mv²,那它跟其他的力學公式就不自洽了,需要修改其他的公式。
至於質能方程E=mc²,是狹義相對論的內容,涉及洛倫茲變換,跟動能的定義式沒多大關係。而且完整的公式也不是這麼簡單,物理學本科《電動力學》這門課裡會學的。畢業十來年了,具體推導過程我也記不清了。這裡的能量也不是機械能,是跟質量等價的能量。有1千克的質量,就具有c²焦耳的能量。這個能量可以轉化成其他各種形式的能量,但它本身並不是動能或者重力勢能,不能套用機械能的公式。
這個問題挺好的,有助於學生深入理解物理單位。
物理量的單位怎麼來的?根據國際單位制七個基本單位和物理公式算出來的。單位參與運算。
比如速度v=s/t,s的單位是m,t的單位是s,v等於s除以t,所以v的單位就是m/s
【例】某人走路,10秒鐘走了20米,速度是多少?
【答】v=s/t=20m/10s=2m/s
動能Eₖ=mv²/2,這裡的2是個沒有單位的常數,不參與單位的運算。因此單位方程就是Eₖ=mv²了,也就是Eₖ的單位是(kg)×(m/s)²=kg·m²/s²,這個單位很少這麼寫,它有個更響亮的名字:焦耳,也就是J。
而動能不光包含單位,還有數字,所以計算動能的時候不能省略常數1/2,必須用Eₖ=mv²/2
【例】某物體質量是5kg,速度是2m/s,動能是多少?
【答】Eₖ=mv²/2=5kg×(2m/s)²/2=5kg×4m²/s²/2=5×4/2 kg·m²/s²=10J
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“單位方程”其實就是物理量的定義式去掉了純數字常數,這個概念現在的教學中已經不提了,也沒必要單獨記憶什麼單位方程。
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至於動能下標的問題,能量在物理上用E表示,但是在力學中常見的有兩種機械能——動能和勢能,為了防止混淆,動能用Eₖ,勢能用Eₚ
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補充一個:
初中物理學過功是W=Fs,單位是N·m,也是焦耳,功和能的單位為什麼一樣?
因為kg·m²/s²=kg·m·m/s²=kg·m/s²·m=N·m
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關於係數1/2的問題,繼續補充。
做個不太嚴格的推導:
對於自由落體運動,初速度為0,加速度a=g,根據v²-v₀²=2ax得到2gh=v²也就是gh=v²/2
所以重力勢能Eₚ=m·gh=mv²/2
看到了吧,係數1/2不是硬加進去的,是理論推導的結果,推匯出來的動能本身就帶係數1/2,去掉之後就不是動能了,是……動能的兩倍。
所以說Eₖ=mv²是錯誤的,如果你非要去掉1/2,把動能定義為Eₖ=mv²,那它跟其他的力學公式就不自洽了,需要修改其他的公式。
至於質能方程E=mc²,是狹義相對論的內容,涉及洛倫茲變換,跟動能的定義式沒多大關係。而且完整的公式也不是這麼簡單,物理學本科《電動力學》這門課裡會學的。畢業十來年了,具體推導過程我也記不清了。這裡的能量也不是機械能,是跟質量等價的能量。有1千克的質量,就具有c²焦耳的能量。這個能量可以轉化成其他各種形式的能量,但它本身並不是動能或者重力勢能,不能套用機械能的公式。