再议功的定义

1、.再议功的定义功的定义是什么?对学过中学物理的学生来说，功的定义往往理解为力与力方向上的位移的乘积。这个理解是对的，但是不确切。“位移到底是谁的位移，是力的作用点的位移，还是物体的位移?还是力作用的质点的位移?这实际上涉及功的定义的几种描绘。在现行高中物体课本中，对“功是这样描绘的：力对物体所做的功，等于力的大小、位移的大小、力与位移夹角的余弦这三者的乘积。 在很多情况下，我们把“位移讲授成“物体的位移，或没有明确指出“位移是“谁的位移?。而且在大多数情况下，我们把所研究的物体当作质点，因此也就不存在几个位移的区别，把位移笼统地理解为“物体的位移。 下面的例题中，将看到不同的位移。 质量为m的

2、物体放在光滑的程度面上，绳经滑轮与程度方向成角，用大小为F的力拉物体，如图1所示。将物体由A点拉到B点，前进s。求拉力对物体所做的功为多少? 在本例中，力F是作用在绳上的，题目的位移是物体的位移，不是力F的作用点的位移。由于力F作用点的位移不是直接知道，而且力F与其作用点的位移AC=S的方向夹角也是未知，所以老师往往引导学生解此题时，是从力F对物体做的功等效于连接滑轮和物体的细绳的力F对物体做的功。而F的大小能容易求出，且物体的位移s与F的方向一样，所以功的求解很方便。 实际上，上面的求解过程，位移用的是物体的位移，力是转化成作用在物体上的力。那么根据这种理解求的功是不是符合题目原意呢?下面给

3、出根据两种定义分别求功的过程，将证明在本例中两种求解结果是一样的。 解法一：由物体的位移定义功，W=FS=F+FcosS=F 1+cosS 解法二：由力的作用点定义功，W=FScos 由几何关系得出AB=BC=S，所以=2，S=2Scos 所以W=FScos=FS2cos2=F 1+cosS=W 从这个例子中，我们看到两种定义的结果是一样的，但是下面的例子中，我们将看到按两种定义导出的结论是不同的。以物体在程度地面上滑动为例，物体受到地面给它的摩擦力F，地面受到问题给它的反作用摩擦力F，物体沿地面向前运动位移s，那么物体所受的摩擦力F对物体作的功为W1，物体对地面的摩擦力F对地面所作的功为W2

4、。按第一种定义，功是力与物体的位移的标积，那么由于地面不运动，所以W2=0，与我们的常识吻合;而按第二种定义，功是力与力的作用点的位移的标积，那么W2=-W1。即按第二种定义，由于作用力与反作用力始终等值反向，所以作用力与反作用力的功恒为等值异号，因此一对摩擦力作功之和为零，不造成系统动能的损失，这显然是荒唐的。还有一些实例，如匀质圆柱沿粗糙斜面无滑动地滚下时，按第二种定义“作用点的观点，此时圆柱对斜面的摩擦力将要做功，且将转化为热。但事实是在这个问题种机械能守恒，并无机械能转化为热的现象。这里并非是要说明第二种定义就不对，事实上按第一种定义计算摩擦力做功时，当力的作用点在受力物体上有相对位移

5、时，质点的动能定理不再成立，而必须加上附加项。这样一来，所有教科书以及文献有关内容都要作修改，加上一定的条件或作某些修正，这显然会造成很大的混乱。或者，在中学阶段将无法完成功的计算。 所以，下面将讨论第三种定义，功是力与力所作用的那个质点的位移的标积，即“位移定义为“力所作用的质点的位移。按这种说法，在计算摩擦力做功时，互相有摩擦力作用的两平动物体，都对同一惯性系来计算力的作用质点的位移实即两物体的位移。而两物体间的相对位移只引起力的作用点的依次改变，而不是作机械功。在经典力学范围那，对于以摩擦力、弹性力等互相作用的两物体，其作用力与反作用力满足牛顿第三定律，但两物体质点可能由于质量不等、起始

6、条件不同，或所受的外力不同等原因，以致在同一作用时间那，两质点的位移可能不同。因此作用力的功和反作用力的功未必等值异号，其和不一定为零。这样按第三种定义，可以解决前面所产生的荒唐或困惑。总之，用第三种说法来定义机械功时，不仅适用范围广泛，而且可以防止一些曲解，不会得出不合理的结论。 机械功定义的三种表述，反映了在物理教学研究方面为解决这一问题所进展的努力。在其开场建立时受到历史和条件的限制，它所能概括大范围是很小的，随着讨论问题的广泛和深化，有必要改进机械功的表述，在原有根底上扩展其适用范围。 实际上，这里还只讨论了机械功的概念。而机械功仅是功的概念的一部分，它仅仅反映了“力的使问题挪动的特性，而功的概念是整个物理学中的一个重要概念，它与物体系的能量概念有着及其亲密的联络，机械功的概念仅为能的概念及运动形态变化的问题准备了必要的条件。只有当我们确定了所作的功与能量变化之间的关系之后，才可以充分说明功的物理意义：功是能量变化的量度。可见，只有明确了能的概念后，才能对功的概念有一个深化的理解。但事实上在物理教