Skip to content · ⁨Перейти к содержанию⁩

Work, Energy, and Power · ⁨Работа, энергия и мощность⁩

AP Physics 1 · ⁨AP Физика 1⁩ · Topic 3 · ⁨Тема 3⁩

Video lesson for this topic · ⁨Видеоурок по этой теме⁩ Open the video page · ⁨Открыть страницу видео⁩
8:07

Работа, энергия и мощность

Посмотрите на первый холм аттракциона «горки». Цепь тащит состав наверх, затем отпускает. На поезде нет двигателя — ничего не толкает его снова для…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨Английское озвучивание · Английский + китайские субтитры (встроенные)⁩

3.1

Translational Kinetic Energy · ⁨Трансляционная кинетическая энергия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 3.1.A: Describe the translational kinetic energy of an object in terms of the object's mass and velocity.

  • 3.1.A.1 An object's translational kinetic energy is given by the equation
    • Equation: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
  • 3.1.A.2 Translational kinetic energy is a scalar quantity.
  • 3.1.A.3 Different observers may measure different values of the translational kinetic energy of an object, depending on the observer's frame of reference.
Русский

Цель обучения 3.1.A: Описать поступательную кинетическую энергию объекта с точки зрения массы и скорости этого объекта.

  • 3.1.A.1 Поступательная кинетическая энергия объекта задается уравнением
    • Уравнение: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
  • 3.1.A.2 Поступательная кинетическая энергия является скалярной величиной.
  • 3.1.A.3 Разные наблюдатели могут измерять различные значения поступательной кинетической энергии объекта в зависимости от системы отсчета наблюдателя.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Energy 能量 is the capacity to do work, measured in joules 焦耳 (J). A moving object has kinetic energy 动能:

$$K=\tfrac{1}{2}mv^2.$$
It depends on the square of the speed, so doubling the speed quadruples the kinetic energy. Kinetic energy is a scalar and is never negative.

Worked example. A $1500\ \text{kg}$ car travels at $20\ \text{m/s}$. Its kinetic energy is $K=\tfrac12\times1500\times20^2=3.0\times10^{5}\ \text{J}=300\ \text{kJ}$. If it speeds up to $40\ \text{m/s}$ (double), the kinetic energy becomes $4\times$ larger, $1200\ \text{kJ}$ – which is why stopping distance grows so fast with speed.

Русский

Энергия — это способность совершать работу, измеряется в джоулях (Дж). Движущееся тело обладает кинетической энергией:

$$K=\tfrac{1}{2}mv^2.$$
Она зависит от квадрата скорости, поэтому удвоение скорости увеличивает кинетическую энергию в четыре раза. Кинетическая энергия является скалярной величиной и никогда не бывает отрицательной.

Разбор примера. Автомобиль массой $1500\ \text{kg}$ движется со скоростью $20\ \text{m/s}$. Его кинетическая энергия составляет $K=\tfrac12\times1500\times20^2=3.0\times10^{5}\ \text{J}=300\ \text{kJ}$. Если он ускоряется до $40\ \text{m/s}$ (удвоение), кинетическая энергия становится больше в $4\times$ раз, то есть $1200\ \text{kJ}$ — именно поэтому тормозной путь так быстро растет со скоростью.

3.2

Work · ⁨Работа⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 3.2.A: Describe the work done on an object or system by a given force or collection of forces.

  • 3.2.A.1 Work is the amount of energy transferred into or out of a system by a force exerted on that system over a distance.
    • 3.2.A.1.i The work done by a conservative force exerted on a system is path-independent and only depends on the initial and final configurations of that system.
    • 3.2.A.1.ii The work done by a conservative force on a system—or the change in the potential energy of the system—will be zero if the system returns to its initial configuration.
    • 3.2.A.1.iii Potential energies are associated only with conservative forces.
    • 3.2.A.1.iv The work done by a nonconservative force is path-dependent.
    • 3.2.A.1.v Examples of nonconservative forces are friction and air resistance.
  • 3.2.A.2 Work is a scalar quantity that may be positive, negative, or zero.
  • 3.2.A.3 The amount of work done on a system by a constant force is related to the components of that force and the displacement of the point at which that force is exerted.
    • 3.2.A.3.i Only the component of the force exerted on a system that is parallel to the displacement of the point of application of the force will change the system's total energy.
      • Equation: $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
    • 3.2.A.3.ii The component of the force exerted on a system perpendicular to the direction of the displacement of the system's center of mass can change the direction of the system's motion without changing the system's kinetic energy.
  • 3.2.A.4 The work-energy theorem states that the change in an object's kinetic energy is equal to the sum of the work (net work) being done by all forces exerted on the object.
    • Equation: $\Delta K = \sum_{i} W_i = \sum_{i} F_{\parallel,i}\,d$
    • 3.2.A.4.i An external force may change the configuration of a system. The component of the external force parallel to the displacement times the displacement of the point of application of the force gives the change in kinetic energy of the system.
    • 3.2.A.4.ii If the system's center of mass and the point of application of the force move the same distance when a force is exerted on a system, then the system may be modeled as an object, and only the system's kinetic energy can change.
    • 3.2.A.4.iii The energy dissipated by friction is typically equated to the force of friction times the length of the path over which the force is exerted
      • Equation: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f\,d\cos\theta$
  • 3.2.A.5 Work is equal to the area under the curve of a graph of $F_{\parallel}$ as a function of displacement.

Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to analyze the transfer of mechanical energy (as defined in Unit 3, Topic 4: Conservation of Energy), although students should be aware that mechanical energy may be dissipated in the form of thermal energy or sound. In AP Physics 2, students will also study how thermal energy can be transferred between systems through heating or cooling.

Русский

Цель обучения 3.2.A: Описать работу, совершаемую над объектом или системой данной силой или совокупностью сил.

  • 3.2.A.1 Работа — это количество энергии, переданное в систему или из нее силой, действующей на эту систему на определенном расстоянии.
    • 3.2.A.1.i Работа консервативной силы, действующей на систему, не зависит от пути и определяется только начальным и конечным состояниями этой системы.
    • 3.2.A.1.ii Работа консервативной силы над системой — или изменение потенциальной энергии системы — будет равно нулю, если система возвращается в свое начальное состояние.
    • 3.2.A.1.iii Потенциальные энергии связаны исключительно с консервативными силами.
    • 3.2.A.1.iv Работа неконсервативной силы зависит от пути.
    • 3.2.A.1.v Примерами неконсервативных сил являются сила трения и сопротивление воздуха.
  • 3.2.A.2 Работа — это скалярная величина, которая может быть положительной, отрицательной или равной нулю.
  • 3.2.A.3 Количество работы, совершенной над системой постоянной силой, связано с компонентами этой силы и перемещением точки приложения этой силы.
    • 3.2.A.3.i Только компонента силы, действующей на систему, параллельная перемещению точки приложения силы, изменяет полную энергию системы.
      • Уравнение: $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
    • 3.2.A.3.ii Компонента силы, действующей на систему, перпендикулярная направлению перемещения центра масс системы, может изменить направление движения системы, не изменяя ее кинетическую энергию.
  • 3.2.A.4 Теорема о работе и кинетической энергии гласит, что изменение кинетической энергии объекта равно сумме работ (суммарной работе), совершаемых всеми силами, действующими на объект.
    • Уравнение: $\Delta K = \sum_{i} W_i = \sum_{i} F_{\parallel,i}\,d$
    • 3.2.A.4.i Внешняя сила может изменить конфигурацию системы. Произведение компоненты внешней силы, параллельной перемещению, на перемещение точки приложения силы дает изменение кинетической энергии системы.
    • 3.2.A.4.ii Если центр масс системы и точка приложения силы перемещаются на одинаковое расстояние при действии силы на систему, то систему можно моделировать как объект, и может изменяться только кинетическая энергия системы.
    • 3.2.A.4.iii Энергия, рассеиваемая трением, обычно приравнивается к силе трения, умноженной на длину пути, по которому действует эта сила.
      • Уравнение: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f\,d\cos\theta$
  • 3.2.A.5 Работа равна площади под кривой графика $F_{\parallel}$ в зависимости от перемещения.

Граничное утверждение: AP Physics 1 требует от студентов лишь анализа передачи механической энергии (как определено в Разделе 3, Тема 4: Сохранение энергии), хотя студенты должны знать, что механическая энергия может рассеиваться в виде тепловой энергии или звука. В AP Physics 2 студенты также изучат, как тепловая энергия может передаваться между системами посредством нагревания или охлаждения.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Work 功 is energy transferred by a force acting over a displacement:

$$W=F\,d\cos\theta,$$
where $\theta$ is the angle between the force and the displacement. Work is positive when the force has a component along the motion (adds energy), negative when it opposes the motion (removes energy), and zero when the force is perpendicular. On a force–position graph, work is the area under the curve. The work–energy theorem 动能定理 states that the net work equals the change in kinetic energy: $W_{\text{net}}=\Delta K$.

Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ block moving at $3.0\ \text{m/s}$ on a frictionless floor is pushed by a $5.0\ \text{N}$ force over $4.0\ \text{m}$ in the direction of motion. Find its final speed. The net work is $W=Fd=5.0\times4.0=20\ \text{J}$, and by the work–energy theorem $W=\tfrac12 m(v^2-v_0^2)$:

$$20=\tfrac12\times2.0\times(v^2-3.0^2)\;\Rightarrow\;v^2=29\;\Rightarrow\;v=5.4\ \text{m/s}.$$

Русский

Работа — это энергия, переданная силой при перемещении:

$$W=F\,d\cos\theta,$$
где $\theta$ — угол между силой и перемещением. Работа положительна, когда сила имеет компоненту вдоль движения (добавляет энергию), отрицательна, когда она препятствует движению (забирает энергию), и нулевая, когда сила перпендикулярна. На графике зависимости силы от координаты работа равна площади под кривой. Теорема о работе и кинетической энергии гласит, что суммарная работа равна изменению кинетической энергии: $W_{\text{net}}=\Delta K$.

Только компонента силы вдоль перемещения совершает работу
Только компонента силы вдоль перемещения совершает работу

Разбор примера. Блок массой $2.0\ \text{kg}$, движущийся со скоростью $3.0\ \text{m/s}$ по гладкому полу, толкают силой $5.0\ \text{N}$ на расстояние $4.0\ \text{m}$ в направлении движения. Найдите конечную скорость. Суммарная работа равна $W=Fd=5.0\times4.0=20\ \text{J}$, и согласно теореме о работе и кинетической энергии $W=\tfrac12 m(v^2-v_0^2)$:

$$20=\tfrac12\times2.0\times(v^2-3.0^2)\;\Rightarrow\;v^2=29\;\Rightarrow\;v=5.4\ \text{m/s}.$$

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
Work/wɜːk/ Работа
work–energy theorem/wɜːk ˈenədʒi ˈθɪərəm/ теорема о работе и энергии
Potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ Потенциальная энергия
Gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ Гравитационный потенциальная энергия
Elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ Упругая потенциальная энергия
conservative forces/kənˈsɜːvətɪv ˈfɔːsɪz/ консервативные силы
total mechanical energy/ˈtəʊtl mɪˈkænɪkl ˈenədʒi/ полная механическая энергия
conserved/kənˈsɜːvd/ сохраняемым
thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ тепловую энергию
3.3

Potential Energy · ⁨Потенциальная энергия⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 3.3.A: Describe the potential energy of a system.

  • 3.3.A.1 A system composed of two or more objects has potential energy if the objects within that system only interact with each other through conservative forces.
  • 3.3.A.2 Potential energy is a scalar quantity associated with the position of objects within a system.
  • 3.3.A.3 The definition of zero potential energy for a given system is a decision made by the observer considering the situation to simplify or otherwise assist in analysis.
  • 3.3.A.4 The potential energy of common physical systems can be described using the physical properties of that system.
    • 3.3.A.4.i The elastic potential energy of an ideal spring is given by the following equation, where $\Delta x$ is the distance the spring has been stretched or compressed from its equilibrium length.
      • Equation: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
    • 3.3.A.4.ii The general form for the gravitational potential energy of a system consisting of two approximately spherical distributions of mass (e.g., moons, planets or stars) is given by the equation
      • Equation: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
    • 3.3.A.4.iii Because the gravitational field near the surface of a planet is nearly constant, the change in gravitational potential energy in a system consisting of an object with mass $m$ and a planet with gravitational field of magnitude $g$ when the object is near the surface of the planet may be approximated by the equation
      • Equation: $\Delta U_g = mg\Delta y$
  • 3.3.A.5 The total potential energy of a system containing more than two objects is the sum of the potential energy of each pair of objects within the system.
Русский

Цель обучения 3.3.A: Описать потенциальную энергию системы.

  • 3.3.A.1 Система, состоящая из двух или более объектов, обладает потенциальной энергией, если объекты внутри этой системы взаимодействуют друг с другом только через консервативные силы.
  • 3.3.A.2 Потенциальная энергия — это скалярная величина, связанная с положением объектов в системе.
  • 3.3.A.3 Определение нуля потенциальной энергии для данной системы — это решение, принимаемое наблюдателем, рассматривающим ситуацию, для упрощения или иным образом содействия анализу.
  • 3.3.A.4 Потенциальную энергию распространенных физических систем можно описать с использованием физических свойств этой системы.
    • 3.3.A.4.i Потенциальная энергия упругости идеальной пружины задается следующим уравнением, где $\Delta x$ — расстояние, на которое пружина была растянута или сжата относительно своей длины в состоянии равновесия.
      • Уравнение: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
    • 3.3.A.4.ii Общий вид для гравитационной потенциальной энергии системы, состоящей из двух приблизительно сферических распределений массы (например, лун, планет или звезд), задается уравнением
      • Уравнение: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
    • 3.3.A.4.iii Поскольку гравитационное поле вблизи поверхности планеты почти постоянно, изменение гравитационной потенциальной энергии в системе, состоящей из объекта с массой $m$ и планеты с гравитационным полем модуля $g$, когда объект находится вблизи поверхности планеты, может быть приближенно выражено уравнением
      • Уравнение: $\Delta U_g = mg\Delta y$
  • 3.3.A.5 Полная потенциальная энергия системы, содержащей более двух объектов, равна сумме потенциальных энергий каждой пары объектов внутри системы.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Potential energy 势能 is stored energy that depends on position or configuration:

  • Gravitational potential energy 重力势能 near the surface: $U_g=mgh$ (height $h$ above a reference level).
  • Elastic potential energy 弹性势能 in a spring: $U_s=\tfrac{1}{2}kx^2$.

Potential energy is defined only for conservative forces 保守力 (gravity, springs), for which the stored energy depends on position, not path. Only changes in potential energy matter, so you may put the zero level wherever is convenient.

The $U_g=mgh$ form only holds near a surface where $g$ is roughly constant. The general form, for two spherical masses a distance $r$ apart, is

$$U_g=-\frac{G m_1 m_2}{r}.$$
It is negative and defined to be zero at infinite separation, so gravitational PE rises toward zero as the masses move apart. $mgh$ is simply its near-surface approximation. (This is the form you need for satellites and escape speed.)

Русский

Потенциальная энергия — это запасенная энергия, зависящая от положения или конфигурации:

  • Гравитационная потенциальная энергия вблизи поверхности: $U_g=mgh$ (высота $h$ над опорным уровнем).
  • Упругая потенциальная энергия в пружине: $U_s=\tfrac{1}{2}kx^2$.

Потенциальная энергия определена только для консервативных сил (гравитации, пружин), для которых запасенная энергия зависит от положения, а не от траектории. Важны только изменения потенциальной энергии, поэтому нулевой уровень можно выбрать произвольно для удобства.

Форма $U_g=mgh$ справедлива только вблизи поверхности, где $g$ примерно постоянна. Общий вид для двух сферических масс, находящихся на расстоянии $r$ друг от друга, выглядит так

$$U_g=-\frac{G m_1 m_2}{r}.$$
Она отрицательна и принята равной нулю при бесконечном удалении, поэтому гравитационная потенциальная энергия возрастает (стремится к нулю), когда массы удаляются друг от друга. $mgh$ — это просто её приближение для области вблизи поверхности. (Это форма, необходимая для спутников и второй космической скорости.)

Explore · ⁨Исследовать⁩

Store elastic potential energy in a spring · ⁨Сохранить упругую потенциальную энергию в пружине⁩

Stretching a spring stores elastic potential energy $\tfrac12 kx^2$ — the area under the force-extension line. Release it and that energy becomes kinetic. · ⁨Растяжение пружины накапливает упругую потенциальную энергию $\tfrac12 kx^2$ — площадь под графиком зависимости силы от удлинения. Освободите её, и эта энергия превратится в кинетическую.⁩

3.4

Conservation of Energy · ⁨Сохранение энергии⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 3.4.A: Describe the energies present in a system.

  • 3.4.A.1 A system composed of only a single object can only have kinetic energy.
  • 3.4.A.2 A system that contains objects that interact via conservative forces or that can change its shape reversibly may have both kinetic and potential energies.

Learning Objective 3.4.B: Describe the behavior of a system using conservation of mechanical energy principles.

  • 3.4.B.1 Mechanical energy is the sum of a system's kinetic and potential energies.
  • 3.4.B.2 Any change to a type of energy within a system must be balanced by an equivalent change of other types of energies within the system or by a transfer of energy between the system and its surroundings.
  • 3.4.B.3 A system may be selected so that the total energy of that system is constant.
  • 3.4.B.4 If the total energy of a system changes, that change will be equivalent to the energy transferred into or out of the system.

Learning Objective 3.4.C: Describe how the selection of a system determines whether the energy of that system changes.

  • 3.4.C.1 Energy is conserved in all interactions.
  • 3.4.C.2 If the work done on a selected system is zero and there are no nonconservative interactions within the system, the total mechanical energy of the system is constant.
  • 3.4.C.3 If the work done on a selected system is nonzero, energy is transferred between the system and the environment.

Boundary statement: AP Physics 1 expects students to know that mechanical energy can be dissipated as thermal energy or sound by nonconservative forces.

Русский

Цель обучения 3.4.A: Описать энергии, присутствующие в системе.

  • 3.4.A.1 Система, состоящая только из одного объекта, может иметь только кинетическую энергию.
  • 3.4.A.2 Система, содержащая объекты, взаимодействующие через консервативные силы, или способная обратимо изменять свою форму, может иметь как кинетическую, так и потенциальную энергии.

Цель обучения 3.4.B: Описать поведение системы, используя принципы сохранения механической энергии.

  • 3.4.B.1 Механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергии системы.
  • 3.4.B.2 Любое изменение вида энергии внутри системы должно компенсироваться эквивалентным изменением других видов энергии в системе или передачей энергии между системой и окружающей средой.
  • 3.4.B.3 Можно выбрать систему так, чтобы полная энергия этой системы оставалась постоянной.
  • 3.4.B.4 Если полная энергия системы изменяется, это изменение равно энергии, переданной в систему или выведенной из нее.

Цель обучения 3.4.C: Описать, как выбор системы определяет, изменяется ли энергия этой системы.

  • 3.4.C.1 Энергия сохраняется во всех взаимодействиях.
  • 3.4.C.2 Если работа, совершенная над выбранной системой, равна нулю, а внутри системы нет неконсервативных взаимодействий, то полная механическая энергия системы постоянна.
  • 3.4.C.3 Если работа, совершенная над выбранной системой, отлична от нуля, энергия передается между системой и окружением.

Положение о границах: AP Physics 1 предполагает, что студенты знают: механическая энергия может рассеиваться в виде тепловой энергии или звука под действием неконсервативных сил.

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English
Energy conservation: KE ⇄ PE

The total mechanical energy 机械能 is $E=K+U$. When only conservative forces do work, mechanical energy is conserved 守恒:

$$K_1+U_1=K_2+U_2.$$
When friction or other non-conservative forces act, they transfer mechanical energy to thermal energy 热能; then the general statement is that total energy (including thermal) is conserved. Energy bar charts are a good way to track where the energy goes.

Worked example. A ball is released from rest at the top of a frictionless ramp $5.0\ \text{m}$ high. Find its speed at the bottom. All the gravitational potential energy becomes kinetic energy:

$$mgh=\tfrac12 mv^2\;\Rightarrow\;v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\times9.8\times5.0}=9.9\ \text{m/s}.$$
The mass cancels, so every object reaches the same speed – exactly the free-fall result, now got from energy. If instead $30\ \text{J}$ were lost to friction, you would subtract it: $mgh-30=\tfrac12 mv^2$.

Русский
Сохранение энергии: KE ⇄ PE
Аттракцион с высокими петлями из зеленой и красной траектории на фоне неба
Аттрацион обменивает энергию туда-сюда: он находится выше всего (максимум потенциальной энергии) на вершине и движется быстрее всего (максимум кинетической энергии) внизу

Полная механическая энергия равна $E=K+U$. Когда совершают работу только консервативные силы, механическая энергия сохраняется:

$$K_1+U_1=K_2+U_2.$$
Когда действуют силы трения или другие неконсервативные силы, они преобразуют механическую энергию в тепловую энергию; в этом случае общее утверждение гласит, что полная энергия (включая тепловую) сохраняется. Столбчатые диаграммы энергии — удобный способ отследить, куда уходит энергия.

Маятник обменивается гравитационной потенциальной энергией на кинетическую и обратно
Маятник обменивается гравитационной потенциальной энергией на кинетическую и обратно

Разобранный пример. Мяч отпускают без начальной скорости с вершины гладкой наклонной плоскости $5.0\ \text{m}$ высотой. Найдите его скорость у основания. Вся потенциальная энергия гравитации переходит в кинетическую энергию:

$$mgh=\tfrac12 mv^2\;\Rightarrow\;v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\times9.8\times5.0}=9.9\ \text{m/s}.$$
Масса сокращается, поэтому каждое тело достигает одинаковой скорости — результат точно такой же, как при свободном падении, но полученный через закон сохранения энергии. Если бы вместо этого $30\ \text{J}$ было потеряно на трение, нужно было бы вычесть его: $mgh-30=\tfrac12 mv^2$.

Explore · ⁨Исследовать⁩

Watch energy convert as an object falls · ⁨Наблюдать за преобразованием энергии при падении объекта⁩

With no friction, mechanical energy is conserved: as an object falls, gravitational potential energy turns into kinetic energy while the total stays fixed. · ⁨При отсутствии трения механическая энергия сохраняется: при падении объекта гравитационная потенциальная энергия превращается в кинетическую, тогда как общая остается неизменной.⁩

Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
Energy/ˈenədʒi/ Энергия
joules/dʒuːlz/ джоули
kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ кинетическую энергию
3.5

Power · ⁨Мощность⁩

Syllabus · ⁨Программа⁩
English

Learning Objective 3.5.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within a system in terms of power.

  • 3.5.A.1 Power is the rate at which energy changes with respect to time, either by transfer into or out of a system or by conversion from one type to another within a system.
  • 3.5.A.2 Average power is the amount of energy being transferred or converted, divided by the time it took for that transfer or conversion to occur.
    • Equation: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
  • 3.5.A.3 Because work is the change in energy of an object or system due to a force, average power is the total work done, divided by the time during which that work was done.
    • Equation: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
  • 3.5.A.4 The instantaneous power delivered to an object by the component of a constant force parallel to the object's velocity can be described with the derived equation.
    • Equation: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$
Русский

Цель обучения 3.5.A: Описать перенос энергии внутрь системы, из системы или внутри системы через понятие мощности.

  • 3.5.A.1 Мощность — это скорость изменения энергии по времени, будь то перенос энергии в систему или из нее, либо преобразование одного вида энергии в другой внутри системы.
  • 3.5.A.2 Средняя мощность — это количество переданной или преобразованной энергии, деленное на время, за которое произошло этот перенос или преобразование.
    • Уравнение: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
  • 3.5.A.3 Поскольку работа представляет собой изменение энергии объекта или системы под действием силы, средняя мощность равна полной совершенной работе, деленной на время выполнения этой работы.
    • Уравнение: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
  • 3.5.A.4 Мгновенную мощность, передаваемую объекту компонентом постоянной силы, параллельной скорости объекта, можно описать с помощью выведенного уравнения.
    • Уравнение: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$

Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨Источник: Описание курса и экзамена College Board AP⁩

English

Power 功率 is the rate of doing work or transferring energy, measured in watts 瓦特 (W):

$$P=\frac{W}{\Delta t}=\frac{\Delta E}{\Delta t},\qquad\text{and instantaneously}\qquad P=Fv.$$
So the same job done faster requires more power. On an energy–time graph, power is the slope.

Worked example. A motor lifts a $50\ \text{kg}$ load at a steady $2.0\ \text{m/s}$. Because it moves at constant speed, the lifting force equals the weight, so

$$P=Fv=mgv=50\times9.8\times2.0=980\ \text{W}.$$

Real machines waste some energy, so we quote efficiency 效率 – useful output power divided by total input power. If this motor draws $1400\ \text{W}$ of electrical power to deliver $980\ \text{W}$ of useful lifting, its efficiency is $980/1400=0.70$, or $70\%$; the other $30\%$ becomes heat and sound.

Русский

Мощность — это скорость совершения работы или передачи энергии, измеряется в ваттах (Вт):

$$P=\frac{W}{\Delta t}=\frac{\Delta E}{\Delta t},\qquad\text{and instantaneously}\qquad P=Fv.$$
Таким образом, выполнение той же работы за меньшее время требует большей мощности. На графике зависимости энергии от времени мощность равна угловому коэффициенту (наклону).

Мощность — это наклон графика зависимости работы от времени: одна и та же работа за меньшее время означает большую мощность
Мощность — это наклон графика зависимости работы от времени: одна и та же работа за меньшее время означает большую мощность

Разобранный пример. Мотор поднимает груз массой $50\ \text{kg}$ со скоростью $2.0\ \text{m/s}$. Поскольку движение равномерное, подъемная сила равна силе тяжести, следовательно,

$$P=Fv=mgv=50\times9.8\times2.0=980\ \text{W}.$$

Реальные машины теряют часть энергии, поэтому мы указываем КПД — отношение полезной выходной мощности к полной входной мощности. Если этот мотор потребляет $1400\ \text{W}$ электрической мощности для выдачи $980\ \text{W}$ полезной подъемной мощности, его КПД составляет $980/1400=0.70$, или $70\%$; остальное $30\%$ превращается в тепло и звук.

Водопад: мощность показывает, насколько быстро передается энергия — один и тот же перепад высоты за меньшее время означает большую мощность
Водопад: мощность показывает, насколько быстро передается энергия — один и тот же перепад высоты за меньшее время означает большую мощность
Vocabulary · ⁨Словарь⁩ Train · ⁨Тренировать⁩
English Русский
Power/ˈpaʊə/ Мощность
watts/wɒts/ ваттах
efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ КПД
3.5

Exam tips · ⁨Советы для экзамена⁩

English
  • Use $W=Fd\cos\theta$: work is zero when the force is perpendicular to the motion, and negative when it opposes it.
  • Reach for the work–energy theorem ($W_{\text{net}}=\Delta K$) or energy conservation ($K_1+U_1=K_2+U_2$) instead of forces whenever the path is complicated.
  • When friction acts, mechanical energy is not conserved — subtract the energy lost to heat.
  • Remember $K\propto v^2$: doubling the speed quadruples the kinetic energy (and the stopping distance).
  • Use $P=Fv$ for power at a steady speed; at constant velocity the net force is zero but the power is not.
Русский
  • Используйте $W=Fd\cos\theta$: работа равна нулю, когда сила перпендикулярна движению, и отрицательна, когда она противодействует ему.
  • При сложных траекториях применяйте теорему о работе и энергии ($W_{\text{net}}=\Delta K$) или закон сохранения энергии ($K_1+U_1=K_2+U_2$), а не анализ сил.
  • Когда действует трение, механическая энергия не сохраняется — вычтите энергию, потерянную на нагрев.
  • Помните $K\propto v^2$: удвоение скорости увеличивает кинетическую энергию в четыре раза (и тормозной путь также увеличивается в четыре раза).
  • Используйте $P=Fv$ для расчета мощности при постоянной скорости; при равномерном движении результирующая сила равна нулю, но мощность при этом не равна нулю.

Interactive lessons on this topic · ⁨Интерактивные уроки по этой теме⁩

Work through it step by step, with instant-check exercises. · ⁨Пройдите его шаг за шагом с упражнениями мгновенной проверки.⁩

Past Papers · ⁨Архив экзаменационных работ⁩

More topics in AP Physics 1 · ⁨AP Физика 1⁩ · ⁨Больше тем в AP Physics 1 · ⁨AP Физика 1⁩⁩

Log in or create account · ⁨Войти или создать аккаунт⁩

IGCSE, A-Level & AP