物理网博客
功能关系的深入理解
2012.08.10 19:33

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纵观整个高中物理的难点,最难的地方还是力学。尤其是功能关系,这个看似简单却非常抽象难以理解,让所有人讨厌的东西。

对于大部分的初学者来说,它有点像小学自然课本讲到的空气,没有颜色,没有味道,透明,摸不着,看不到,但的确存在,搞得非常神秘且难以理解。说实话,我对空气一直都不理解,直到初三的时候学化学才搞明白。从这里你也能看出来,笔者小的时候智商还是有点儿问题滴。我不想很多人和我一样,在高中应该搞明白的东西,非要等到上大学才弄懂;在这里写这篇文章,和大家一起分析功能关系。

高中课本上涉及到的能量种类有很多,如:动能、弹性势能、重力势能、机械能、摩擦生热、电势能、磁场能(不涉及计算)、焦耳热、机械振动的能量、分子热运动能量、电容积累的能量、电感线圈积累的能量、光子的能量等等。每一种能量的变化或者转移,大都伴随着做功的过程。热学中讲到的热量的转移,严格来说,也是分子相互作用的结果。

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课本的如下定义非常经典:

做功的过程是能量转化的过程,功是能的转化的量度。

不管是功还是能,两者的单位都是J。这就说明了他们都是对物体本质统一的一种描述。比如位移和距离的关系等。当时两个的关系要比位移和距离复杂的多,主要的区别在于,

功是一种过程量,它和一段位移(一段时间)相对应。

能是一种状态量(静态量),它和一个时刻相对应。

或者说,能量是一个“点”,而功是从一个点到另一个点之间的“线”。

在不同形式的能量发生相互转化的过程中,功扮演着重要的角色,但不能说功就是能,也不能说“功变成了能”,文章源于王尚物理博客。

当只研究动能的与功的关系的时候,我们就有如下的结论。

物体动能的增量由外做的总功来量度:W外=ΔEk,

看明白了吗?这不就是动能定理嘛!

当只有重力弹力做功的时候,显然重力做的功对应重力势能的改变量,弹力做功对应弹性势能的改变量,这个时候机械能显然没有变化。两者相互转化,盈余的能量必然转移到最基本的动能上来,结合上面动能定理的公式,不难看出这种情况就是机械能守恒定律的内容。

我们不妨再来考虑,如果有除了重力和弹力之外的力做功呢,对应什么能量的变化?

只要深入一想,就会发现,物体机械能的增量由重力、弹力以外的其他力做的功来量度:W其=ΔE机,其中,W其表示除重力与弹力以外的其它力做的功。当然,如果你不仔细去想,只是看一下王尚归纳的结论,你一辈子也记不住。

显然,上式子中,当W其=0时,说明只有重力、弹力做功,所以这个时候系统的机械能守恒。这与前面的结论一直。

一对互为作用力反作用力的摩擦力做的总功不一定为零。当两者有相对运动的时候,用来量度该过程系统由于摩擦而减小的机械能,也就是系统增加的内能,也就是摩擦生热。

从更广义的角度看,如果我们确定了以某一个系统为研究对象,那么该系统以外的物体对系统内物体做的总功等于系统内总能量的变化。这便是很多人认为,但是课本上并没有告诉我们的,那个透明的、神秘的功能关系了。

到这里,本文就要完了,你回想起来本文中黑体、红色的那行字吗?

如果你记不得了,我告诉你,这就是你与班级高手学习物理的本质区别。(完)

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