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输入计算

数学公式

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结果

计算结果
W = 0 J
国际单位制(SI)下的结果 0
所求变量 W

这个计算器能做什么

本工具用于求解机械功的基本物理公式 \(W = F \cdot s\),以及考虑夹角的形式 \(W = F \cdot s \cdot \cos(\theta)\)。功(W)的单位为焦耳,力(F)的单位为牛顿,位移(s)的单位为米。只要给出其中两个量(必要时再加上夹角),就能求出第三个量。这是纯物理公式,全球通用,不受任何地区差异影响。

使用方法

先在"选择计算类型"菜单中选定你要求解的量。第一组使用最基础的 \(W = Fs\) 关系;第二组则引入力矢量与位移方向之间的夹角 \(\theta\)。输入已知数值,为每个量选择单位,必要时再设置夹角(以度为单位)和有效数字位数。计算时,所有数值会先转换为国际单位制(SI)的基本单位,代入公式求解后,再把结果换算回你为未知量所选定的单位。

公式详解

功是力使物体发生移动时所传递的能量。只有与运动方向一致的那部分力才做功,这正是公式中出现余弦的原因:

$$W = F\,s\,\cos(\theta)$$

当 \(\theta = 0\) 时,力与位移方向完全一致(\(\cos 0 = 1\)),此时 \(W = Fs\)。当 \(\theta = 90\) 度时,力与位移垂直,\(\cos 90 = 0\),因此不做功。当 \(\theta\) 在 90 度到 180 度之间时,余弦为负,功也为负值(即能量被取走)。

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三种情况:力与位移平行、垂直和相反
力与运动方向一致时功最大,垂直时为零,相反时为负。
以角度θ作用于箱子水平位移s的力
功取决于力、位移以及两者之间的夹角θ。

计算示例

一个 100 N 的力推动木箱移动 5 m,力与位移方向成 60 度夹角。由于 \(\cos 60 = 0.5\),做功为

$$W = 100 \times 5 \times 0.5 = 250 \text{ J}$$

反过来求解:若 \(W = 250\) J、\(s = 5\) m、\(\theta = 60\) 度,则

$$F = \frac{250}{5 \times 0.5} = 100 \text{ N}$$

常见问题

为什么功可以是负值?当力与运动方向相反(夹角大于 90 度)时,它会从物体上带走能量,因此做的功为负。

计算中使用的是哪种 BTU 和卡路里定义?本计算器采用"平均(mean)"定义:\(1 \text{ BTU} = 1055.87 \text{ J}\),\(1 \text{ cal} = 4.19002 \text{ J}\)。这与热化学定义或国际蒸汽表(IT)定义略有不同。

如果我求解力或位移时分母为零会怎样?除以零没有意义,因此计算器会返回"未定义"的提示。这种情况出现在:求解 F 时位移为零、求解 s 时力为零,或在夹角模式下 \(\theta = 90\) 度时。

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