力学中两个易混淆概念

浅析力学中的两个易混淆的概念

摘要:在物理中有许多概念学生容易混淆,在力学中就有位移和路程;瞬时速度和平均速度;力的实质和力的效果;摩擦力的方向和运动方向;功和能量等。所以区分这些概念就成为学生学习的重点,现就功和能谈谈粗浅认识。

关键词:力学功能

功和能的概念及其相互关系贯穿整个高中物理教材,是最重要最基本的物理概念,不清楚理解它们,是难以学好物理的。在指导高三学生复习时,我发现还有许多学生不清楚功和能的物理含义及其相互关系。在解有关功和能的习题时,由于二者的单位相同,在数值上往往相等,学生容易认为:功就是能,能就是功,或者说功转变成能,能转变成功。

为了讲清功和能的概念及其相互关系,可以举例说明:物体具有做功本领我们就说它具有能量,但这个物体不一定要对外做功,所以功和能是两个不同的物理量,对外做功多的物体能量不一定多,能量多的物体也可以不对外做功。我们知道运动的物体是能够做功的,这种能的形式我们称为动能。例如以很大动能在光滑水平面上匀速运动的物体不对外做功,而以较小动能在粗糙水平面上运动的物体要克服摩擦力做功。所以对外做功的物体具有的能量不一定多。

虽然功和能是不同的物理量,但它们又有关系。运动的物体到底具有多少动能,我们可以根据它能做多少功来确定的,例如一个速

度为v的小球在粗糙水平面上运动最后停下来。设阻力为f,通过的位移为s,则在这段位移上阻力所做的功

为:w=fs=-ma*v2/2a=-mv2/2 (负号表示物体克服阻力做功)。上式表明在这段位移上因做功减少的动能等于mv2/2,也说明质量为m,速度为v的物体所具有的动能为mv2/2。运动物体在克服阻力做功的过程中,动能在不断的减少,直到全部消耗完,物体停止运动,也就不再做功了。那么减少的动能哪里去了呢?根据能量转化和守恒定律知道,能量不会消失,也不能自己产生,它只能从一种形式转变成另一种形式或从一个物体转移给另一个物体。运动物体克服摩擦阻力做功的过程中,既然消耗了动能,那么必定有等量的其他形式的能量出现。我们从生产生活中知道,物体在克服摩擦力做功时会发热,说明物体的动能转变成了物体的内能。又如机车开动时是必须烧燃料的,所以牵引力做功的过程,实质上是消耗化学能而获得机车动能的过程。牵引力做了多少功,就有多少化学能转变为机车的动能。上述例子告诉我们,做功的过程就是能量的转化过程。在任何做功的过程中,必有一种形式的能转变为另一种形式的能。且做多少功就有多少能量转化。

谈到功的问题,应该明确什么物体或者什么力在做功,对谁做功。在做功过程中,做功的物体所消耗的能量总等于被做功的物体所增加的能量。做功的过程是能量转变过程,功是能量转化的量度,但绝不能认为功就是能,应把两者严格区分开来。我们知道能与物质的运动有不可分割的联系,一种运动形式对应着一种形式的能量,能

量的多少取决于物体所处的状态,它是一个状态量。而功是在能量从一种形式转变成另一种形式的过程中出现的,功的多少代表能量转变的多少,功是一个过程量,所以不能说能转变成功,功转变成能,因为可以相互转变的是各种形式的能,能的转变方式之一是通过做功。在热学部分,有人说热变成功,功变成热,这也是不对的。热功过程一般都是指物体的内能和机械能的相互转变过程。

弄清了功和能的含义后,我们再通过两个题来研讨功和能的关系。

例1、把一根放在地面上的长为l,粗细均匀,质量为m的钢棒从地面竖起来(垂直于地面),需对它做多少功?

解此题时,有同学想用公式w=fs来解,很明显,这是不行的,因为竖立钢棒时所施加的外力并不是一个恆力,在竖立的过程中,钢棒

运动的轨迹又不是直线,所以不能用公式w=fs来解,此题用功能关系来解是非常容易的。因为把钢棒从地面竖起,它的中心位置升高的高度h=l/2,竖立过程中的初速度、末速度都为零,所以外力对它做功后,它的重力势能共增加了ep=mgh=mgl/2,这就是竖起钢棒时,外力克服重力所必须做的功。

例2、人用力踢质量为0.5kg的球,使球由静止以10m/s的速度飞出。假设人踢球时对球的平均作用力为200n,球被踢出了30m远,

那么人对球所做的功为多少?

看到此题,有的同学马上想到公式w=fs=200*30=6000j,看上去没什么问题,符合公式的条件,可是仔细分析此题,踢球的力只出现在

踢球的瞬间,球被踢出去后这个力就消失了,并不是随球运动了30m,所以在力的作用下球究竟运动了多远是不清楚的,当然也无法用此公式求解了。换一个角度从功和能的关系知道,人踢球所做的功在数值上等于被踢出球的动能,因此求出球被踢出时的动能

ek=mv2/2=25j即可。

功和能的观点是解决物理问题的重要手段,在物理中占有重要地位,要学好物理就要正确认识它们。另外在处理物理问题时不能只记住公式、定理,更重要的是要清楚的知道每个公式、定理的用法及使用条件,还要分析清楚题目中所设定的物理情景是否符合公式、定理的条件,千万不可乱套公式。对物理概念要多多加以区分、比较,弄明白每一个物理量的意义,这对学好物理是十分重要的。