筑基五层：功、功率、简单机械效率

引言

从推开一扇门、提起一桶水，到汽车飞驰、机器运转、吊车起重，再到我们日常使用的剪刀、螺丝刀、扳手、滑轮、斜面……所有“让物体动起来、把事情完成”的过程，都离不开三个紧紧相连的物理概念：功、功率、机械效率。

如果说前面我们学的力、运动、压强、浮力，是在看懂“世界为什么这样”，那这一章就是在看懂“人类如何利用规律做事、省力、省时、高效地完成工作”。它是物理学从“理论”走向“实用”的关键一章，也是生活、生产、工程、机械中最核心的基础知识。

本篇依旧保持结构清晰、段落舒展、逻辑严密、语言通俗，既适合手机逐段轻松阅读，也适合全程流畅收听，不讲多余形式，只讲最扎实、最系统、最能直接用的物理学原理，把功、功率、简单机械、机械效率一次性彻底讲透。

一、功——力对物体做功的“量度”

1. 物理学中“功”的定义

当一个力作用在物体上，并且物体在力的方向上移动了一段距离，我们就说这个力对物体做了功。

简单说：

功 = 力 + 力方向上的距离

两个条件缺一不可。

2. 做功的两个必要因素

1. 作用在物体上的 力 F

2. 物体在力的方向上通过的 距离 s

3. 三种不做功的情况（非常重要）

- 有力无距离：用力推箱子没推动 → 不做功

- 有距离无力：物体在光滑平面匀速滑动 → 不做功

- 力与距离垂直：提着水桶水平走 → 重力、拉力都不做功

这是最容易出错、也最能体现物理严谨性的地方。

4. 功的计算公式

W = Fs

- W：功（Work）

- F：力（N）

- s：沿力方向的距离（m）

5. 功的单位

焦耳，简称焦，符号 J

1 J = 1 N·m

把两个鸡蛋举高1米，做的功大约就是 1 J。

二、功率——做功的“快慢”

1. 什么是功率

功率不是“做功多少”，而是做功快慢。

同样做1000 J的功：

- 1秒做完 → 功率很大

- 100秒做完 → 功率很小

2. 功率的定义

单位时间内所做的功，叫做功率。

3. 功率公式

P = \frac{W}{t}

- P：功率（Power）

- W：功（J）

- t：时间（s）

4. 功率单位

瓦特，简称瓦，符号 W

1 W = 1 J/s

常用：千瓦（kW）

1 kW = 1000 W

5. 功率的现实意义

- 功率越大，做功越快

- 功率越小，做功越慢

汽车、发动机、电机、电器上标的“瓦数”，都是功率。

三、简单机械——人类改造世界最基础的工具

1. 什么是简单机械

能帮助人们省力或者省距离的工具，统称为简单机械。

常见的简单机械：

- 杠杆

- 滑轮（定滑轮、动滑轮、滑轮组）

- 斜面

- 轮轴

- 齿轮

2. 简单机械的黄金定律

使用任何机械都不省功！

这是物理学最铁的规律：

- 省力 → 一定费距离

- 省距离 → 一定费力

- 又省力又省距离的机械不存在

我们用机械，只是为了方便、省力、好操作，而不是少做功。

四、杠杆——最古老、最基础的简单机械

1. 杠杆五要素

- 支点 O

- 动力 F₁

- 阻力 F₂

- 动力臂 L₁

- 阻力臂 L₂

2. 杠杆平衡条件

F_1 L_1 = F_2 L_2

3. 三类杠杆

- 省力杠杆：省力费距离（钳子、扳手、撬棍）

- 费力杠杆：费力省距离（筷子、镊子、钓鱼竿）

- 等臂杠杆：不省力不费力（天平、定滑轮）

五、滑轮——起重、提升最常用的机械

1. 定滑轮

- 轴固定不动

- 不省力

- 改变力的方向

- 等臂杠杆

2. 动滑轮

- 轴随物体一起动

- 省一半力

- 费距离

- 省力杠杆

3. 滑轮组

- 既能省力，又能改变方向

- 省力多少看承担重物的绳子段数 n

- 公式：

F = \frac{G}{n} \quad s = nh

六、功的分类：有用功、额外功、总功

1. 有用功

我们目的要做的功。

比如：把重物提上去 → W有用 = Gh

2. 额外功（无用功）

不是我们想要，但不得不做的功。

比如：克服摩擦、克服机械自重。

3. 总功

有用功 + 额外功

W_{总} = W_{有用} + W_{额外}

总功也是人/机器实际做的功：

W_{总} = Fs

七、机械效率——衡量机械“好坏”的标准

1. 机械效率定义

有用功跟总功的比值，叫做机械效率。

它表示：你做的功里，有多少是真正有用的。

2. 机械效率公式

\eta = \frac{W_{有用}}{W_{总}} \times 100\%

η 读作：伊塔

3. 关键结论

- 机械效率 永远小于 100%

- 因为额外功永远存在

- 效率越高，浪费越少，机械越优良

4. 提高机械效率的方法

- 减小摩擦

- 减轻机械自重

- 在允许范围内增大重物重量

5. 效率、功率、功三者不要混淆

- 功：做了多少

- 功率：做得多快

- 效率：做得多好、多划算

八、生活与工程中的功、功率、机械效率

1. 爬山、上楼

- 爬同一层楼，做功差不多

- 跑得快 → 功率大

- 姿势省力 → 效率高

2. 汽车、电动车

- 功率越大，加速、爬坡越强

- 效率越高，越省电、越省油

3. 吊车、起重机

- 用滑轮组省力

- 效率越高，能耗越低

4. 剪刀、扳手、螺丝刀

- 都是杠杆/轮轴

- 用对了就能省力、高效

九、本章最核心总结（必须牢牢记住）

1. 做功：有力，且在力方向移动距离，W=Fs。

2. 功率：做功快慢，P=W/t，单位瓦特。

3. 简单机械省力不省功，省力必费距离。

4. 杠杆平衡：F₁L₁=F₂L₂。

5. 滑轮组看绳子段数 n，F=G/n，s=nh。

6. 总功=有用功+额外功。

7. 机械效率 η=W有用/W总，永远小于100%。

结语

功、功率、简单机械、机械效率，是物理学最贴近生产与生活的一章。

它让我们从“看懂自然”，升级到“利用自然、改造世界”。

学会这一章，你再看工具、机器、车辆、家电、建筑、运动……

看到的不再是表面现象，而是做功快慢、能量利用、效率高低、机械原理。

这就是「物理学成神之路｜筑基五层」带给你的真正能力：

用最底层的物理逻辑，看懂一切“做事、运动、工作、机械”的本质。

接下来，我可以继续为你创作：

物理学成神之路 · 筑基六层：机械能、动能、势能、能量守恒

你要继续往下写吗？