| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
3.1.A |
|
功、能与功率
AP 物理 C:力学 · 第 3 主题
3.1
平动动能
大纲
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
动能(kinetic energy)是运动的能量,一个以焦耳(joules)(J)测量的标量(scalar):
它随速率的平方增长——把速率加倍使 $K$ 变为四倍。一个值得知道的微妙之处:动能取决于观察者的参考系(reference frame)。一个在火车上走的乘客在火车里面测量有一个小的 $K$ 而从地面测量有一个巨大的——两个观察者都对,各在他们自己的参考系里。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Kinetic energy | 动能 | dòng néng |
| scalar | 标量 | biāo liàng |
| joules | 焦耳 | jiāo ěr |
| reference frame | 参考系 | cān kǎo xì |
3.2
功
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
3.2.A |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics only expects students to analyze the transfer of mechanical energy, although students should be aware that mechanical energy may be dissipated in the form of thermal energy or sound. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
功(work)是一个力作用在一个距离上转移进或出一个系统的能量。对于一个变力它是沿路径的一个积分(integral):
对于一个恒定力这简化到 $W=Fd\cos\theta$;在一个力-位置图上,功是曲线下的面积。功是一个带符号的标量,而这个符号是物理,不是记账:
- 正 ——力有一个沿运动的分量(它使物体加速)。
- 负 ——力反对运动(摩擦力(friction)和空气阻力做负功)。
- 零 ——力垂直于运动(一个滑动木块上的法向力(normal force)、一次水平移动上的重力、一次圆形摆动里的张力)。

动能定理(work–energy theorem)收集每个力的贡献:合功等于动能的变化,
Worked example. 一个变力 $F(x)=3x^2\ \text{N}$(沿运动)从 $x=0$ 到 $x=2\ \text{m}$ 作用:$W=\displaystyle\int_0^2 3x^2\,dx=\big[x^3\big]_0^2=8\ \text{J}$。单独作用在一个从静止开始的物体上,它会把动能提高到恰好 $8\ \text{J}$。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Work | 功 | gōng |
| integral | 积分 | jī fēn |
| friction | 摩擦力 | mó cā lì |
| normal force | 法向力 | fǎ xiàng lì |
| work–energy theorem | 动能定理 | dòng néng dìng lǐ |
3.3
势能
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
3.3.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
势能(potential energy)是一个系统通过它各部分的位置储存的能量——它只对保守力(conservative forces)存在,它们的功与路径无关。它通过功定义:
而你自由地选择 $U=0$ 的地方——只有 $U$ 的变化重要,所以挑选使问题最简单的零。标准的结果:
- 一个表面附近的重力:$\Delta U_g=mg\,\Delta y$。
- 一般的重力:$U_g=-\dfrac{Gm_1m_2}{r}$(在无限间距为零)。
- 弹簧:$U_s=\tfrac12k(\Delta x)^2$,$\Delta x$ 从自然长度测量。
对于几个物体的系统,把每对的势能相加。把定义反过来,一个保守力是它势能的负导数(derivative):
力在 $U(x)$ 曲线上指向"下坡"。平衡坐在斜率为零的地方:一个最小值是一个稳定平衡(stable equilibrium)(被移开,力推回),一个最大值是一个不稳定平衡(unstable equilibrium)(被移开,力推开)。

Worked example. 给定 $U(x)=2x^3-6x$(焦耳),力是 $F=-\dfrac{dU}{dx}=6-6x^2$。平衡坐在 $F=0$:$x=\pm1$。因为 $\dfrac{d^2U}{dx^2}=12x$ 在 $x=+1$ 为正(一个最小值——稳定)而在 $x=-1$ 为负(一个最大值——不稳定),这两点表现相反。
Store elastic potential energy in a spring
Stretching a spring stores elastic potential energy $\tfrac12 kx^2$ — the area under the force-extension line. Release it and that energy becomes kinetic.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Potential energy | 势能 | shì néng |
| conservative forces | 保守力 | bǎo shǒu lì |
| derivative | 导数 | dǎo shù |
| stable equilibrium | 稳定平衡 | wěn dìng píng héng |
| unstable equilibrium | 不稳定平衡 | bù wěn dìng píng héng |
3.4
能量守恒
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
3.4.A |
|
3.4.B |
|
3.4.C |
Boundary statement: AP Physics C: Mechanics expects students to know that mechanical energy can be dissipated as thermal energy or sound by nonconservative forces. |
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
能量在所有相互作用里守恒——问题只是它去哪里。机械能(mechanical energy)是和 $E=K+U$。若一个系统上的外功是零而它里面没有任何东西通过非保守力(nonconservative forces)作用,那么
当摩擦或阻力作用时,它们把机械能转换成热能(thermal energy)($\Delta E_{\text{mech}}=-F_fd$),而这个平衡必须包括那一项。若外功确实被做,系统的总能量恰好变化转移的能量:$W_{\text{ext}}=\Delta E_{\text{sys}}$。选择系统就是选择记账——一个单一物体只能有动能;包括地球或弹簧,系统也能储存势能。

一条势能图是一幅完整的运动图:高度 $E$ 处的水平线是总能量、间隙 $E-U(x)$ 是每个 $x$ 处的动能,而交叉 $E=U$ 是转折点(turning points),物体在那里暂时停止并反转。
Worked example. 一个 $2.0\ \text{kg}$ 的木块从高度 $1.5\ \text{m}$ 从静止沿一个坡道滑下,以 $4.0\ \text{m/s}$ 到达底部。能量核算:$mgh=29.4\ \text{J}$ 可得;$\tfrac12mv^2=16\ \text{J}$ 作为动能到达;所以摩擦沿途把 $29.4-16=13\ \text{J}$ 转换成热能。

Watch energy convert as an object falls
With no friction, mechanical energy is conserved: as an object falls, gravitational potential energy turns into kinetic energy while the total stays fixed.
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Mechanical energy | 机械能 | jī xiè néng |
| nonconservative forces | 非保守力 | fēi bǎo shǒu lì |
| thermal energy | 热能 | rè néng |
| turning points | 转折点 | zhuǎn zhé diǎn |
3.5
功率
大纲
| Learning Objective | Essential Knowledge |
|---|---|
3.5.A |
|
来源:美国大学理事会 AP 课程与考试说明
功率(power)是能量转移的速率,以瓦特(watts)(W):
它测量功被做得多快,不是多少。点积重要:只有沿速度的力分量传递功率。

Worked example. 一个木块从一个无摩擦的 $3.0\ \text{m}$ 高坡道的顶部从静止释放,以 $v=\sqrt{2gh}=7.7\ \text{m/s}$ 到达底部(从 $mgh=\tfrac12mv^2$)。一个然后以稳定的 $7.7\ \text{m/s}$ 逆着一个 $20\ \text{N}$ 阻力驱动它的马达传递 $P=Fv=20(7.7)\approx150\ \text{W}$。
Worked example. 一辆 $1200\ \text{kg}$ 的车以稳定的 $15\ \text{m/s}$ 爬一个每 $20\ \text{m}$ 道路上升 $1.0\ \text{m}$ 的山。引擎必须供应重力的功率消耗:$P=mg\,v\sin\theta=1200(9.8)(15)\big(\tfrac{1}{20}\big)\approx8.8\ \text{kW}$ ——在加空气阻力之前。
Exam skill. 能量 FRQ 奖励核算句子:命名你的系统、陈述哪些力对它做功,并在代入数字之前写平衡($W_{\text{ext}}=\Delta K+\Delta U+\Delta E_{\text{thermal}}$)。"摩擦存在,所以机械能不守恒"是一个评分的陈述。
| 英文 | 中文 | 拼音 |
|---|---|---|
| Power | 功率 | gōng lǜ |
| watts | 瓦特 | wǎ tè |
3.5
考试技巧
- 用动能定理 $W_{net}=\Delta KE$ 并对一个变力把功计算为 $W=\int \vec F\cdot d\vec r$。
- 从一个力-位置图把功读作曲线下的面积。
- 功率是 $P=\tfrac{dW}{dt}=\vec F\cdot\vec v$;注意瞬时 vs 平均。
- 把力分成保守的(定义一个势能)和非保守的(耗散能量)。
- 当力变化或路径复杂时选择能量方法而不是运动学。
本主题的互动课程
逐步学习,并即时检测练习。