高中物理功動(dòng)能的相對(duì)性的探討

　　高中物理功動(dòng)能的相對(duì)性的探討

　　晏小華

　�。ㄋ拇ㄊ〕啥际械谒氖�九中學(xué)校）

　　摘 要：功和動(dòng)能之間雖然有一定的差距，但兩者相互聯(lián)系，相互促進(jìn)，若一方面對(duì)質(zhì)點(diǎn)做了功，質(zhì)點(diǎn)動(dòng)能則會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，且動(dòng)能變化量與合力做的功是對(duì)等的，兩者具有相對(duì)性。

　　關(guān)鍵詞：高中物理；功；動(dòng)能；相對(duì)性

　　隨著新課改的大力實(shí)施，傳統(tǒng)的教學(xué)模式已不能滿足現(xiàn)代化教學(xué)的需求，這就對(duì)教育工作者的教學(xué)方法提出了更高的要求。高中物理教師應(yīng)在深入鉆研教材內(nèi)容的基礎(chǔ)上，全面掌握教材內(nèi)容中的實(shí)質(zhì)聯(lián)系，明確事物之間的相對(duì)關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、融會(huì)貫通的學(xué)習(xí)能力，進(jìn)而提升物理教學(xué)效率。在這一背景下，深入探討高中物理中功、動(dòng)能的相對(duì)性勢在必行，且具有十分重要的作用和意義。

　　一、功的相對(duì)性

　�。ㄒ唬┫嚓P(guān)概述

　　1.功的概念

　　如果一個(gè)物體受到力的作用，且在力的方向上發(fā)生一定距離的位移，就可以說這個(gè)力對(duì)物體做了功。做功有兩個(gè)不能缺少的條件：一是受到力的作用，二是在力的方向上發(fā)生位移。

　　2.功的計(jì)算式

　　功的計(jì)算式為：W=Fscosα。將力的大小、位移的大小、力和位移的夾角的余弦三者相乘，可得力對(duì)物體所做的功的大小。

　　3.功的單位

　　在國際單位制中，功的單位為焦耳（J），簡稱焦。即1J是指物體受到1N的力作用，在力的方向上發(fā)生了1m的位移，在這一過程中力對(duì)物體所做的功。

　　（二）功與沖量的比較

　　一方面，功和沖量都屬于過程量，功主要用來表示空間上力的積累效果，而沖量是用來表示力在時(shí)間上的積累效果；另一方面，功是標(biāo)量，正表示動(dòng)力對(duì)物體做功，負(fù)則表示物體在克服阻力時(shí)所做的功。而沖量是矢量，正、負(fù)號(hào)都表示方向，物理學(xué)中在計(jì)算沖量時(shí)，應(yīng)首先規(guī)定正方向；除此之外，做功多少直接由位移、力的大小及位移夾角來決定。沖量的大小由時(shí)間和力的大小來決定。結(jié)合功的定義可得，功是力、力的方向上發(fā)生位移的乘積。然而，在力的實(shí)際應(yīng)用中，學(xué)生往往會(huì)混淆這一概念。

　　例如，將木塊A疊放在木塊B的左上方，采用恒力F將木塊A拉至木塊B的右端，第一次將木塊B固定于地面上，F(xiàn)做功為W1；第二次，木塊B在光滑水平面上滑動(dòng)，F(xiàn)做功為W2，比較兩次做功應(yīng)有（）。

　　A.W1＜W2 B.W1＞W(wǎng)2

　　C.W1=W2 D.無法比較

　　由題意可知，第一次物體B靜止時(shí)拉力F做功為W1，這是將靜止不動(dòng)的地面作為參照物，其第二次做功為W2，仍舊是相對(duì)于靜止的地面來說的。兩次過程中物體B都是將地面作為參照物，且拉力相同，因此需根據(jù)物體的位移對(duì)功的大小進(jìn)行判斷，即W1<W2。部分學(xué)生將B作為參照物，認(rèn)為相對(duì)于物體B而言，物體A兩次的位移相等，因此做功相等，于是選擇答案C。但是要比較兩次做功的大小，參照物就應(yīng)當(dāng)相同。而第一次物體B靜止，第二次物體B運(yùn)動(dòng)，這并不屬于同一個(gè)參照物，因此不能將物體B作為參照物比較功的大小。

　　由此可見，功具有相對(duì)性。

　　二、動(dòng)能的相對(duì)性

　�。ㄒ唬┫嚓P(guān)概述

　　1.動(dòng)能的概念

　　物體在運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量，稱為物體的動(dòng)能。動(dòng)能的大小定義為物體質(zhì)量與速度平方乘積的二分之一。因此，若物體質(zhì)量相同，則運(yùn)動(dòng)速度越大，動(dòng)能越大；若物體運(yùn)動(dòng)速度相同，則質(zhì)量越大，其動(dòng)能就越大。

　　2.動(dòng)能的表達(dá)式及意義

　　動(dòng)能是標(biāo)量，沒有方向只有大小，恒為正值。動(dòng)能的變化屬于過程量，且動(dòng)能具有相對(duì)性，動(dòng)能的值與參考系的選取相關(guān)，一般選擇地面作為參考系。動(dòng)能的表達(dá)式為：Ek=1/2mv2。即物體的動(dòng)能等于物體質(zhì)量與速度平方乘積的二分之一。

　　3.動(dòng)能的單位

　　在國際單位制中，動(dòng)能單位為kg·m2/s2，是由動(dòng)能的質(zhì)量單位與速度單位確定的。

　　4.動(dòng)能的特點(diǎn)

　　由于在某一個(gè)時(shí)刻，物體在運(yùn)動(dòng)的過程中具有一定的速度，因此動(dòng)能具有瞬時(shí)性。同時(shí)，對(duì)于不同的參考系，物體的運(yùn)動(dòng)速度有不同的瞬時(shí)值，因此具有相對(duì)性。在動(dòng)能的定理中，物體的位移、始末動(dòng)能都必須相對(duì)于同一參照系。在一般情況下，將地面作為參考系對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究。且動(dòng)能定理研究的對(duì)象通常是單一的物體，或者可以將其看作單一物體的物體系。在對(duì)動(dòng)能進(jìn)行計(jì)算時(shí)，力可以是分段作用，也可以是同時(shí)作用，只需求出各個(gè)力的正負(fù)代數(shù)和。

　�。ǘ�）動(dòng)能的相對(duì)性

　　在高中物理課堂上，一般將地球作為參照系建立動(dòng)能定理。如果選擇其他參照系，則物體的位移數(shù)值與速度數(shù)值都會(huì)產(chǎn)生變化，并且與速度、位移相關(guān)的功、動(dòng)能都會(huì)產(chǎn)生變化。由于物體運(yùn)動(dòng)的速度具有相對(duì)性，且跟參照物的選取相關(guān)，因此，動(dòng)能無疑與參照物的選取有關(guān)，由此可見，動(dòng)能具有相對(duì)性。我在講授該內(nèi)容時(shí)，曾有學(xué)生提出問題，“既然動(dòng)能具有相對(duì)性，那么同步衛(wèi)星與地球處于相同的角速度，好像在地球赤道平面的正上方靜止不動(dòng)，那么相對(duì)于地球而言，同步衛(wèi)星是否具有動(dòng)能？”要回答這個(gè)問題，則首先需要對(duì)同步衛(wèi)星的高度以及地球的半徑這兩個(gè)常量進(jìn)行了解。已知，同步衛(wèi)星的運(yùn)行周期是24h。經(jīng)過計(jì)算，得知同步衛(wèi)星高度與地球半徑分別約為3.6×104km與6.4×103km�？梢园l(fā)現(xiàn)，同步衛(wèi)星的高度約為地球半徑的5.6倍。由于同步衛(wèi)星的角速度與地球的角速度相同，但是線速度不同，地球自轉(zhuǎn)的線速度約為465m/s，而同步衛(wèi)星的線速度約為赤道上地球自轉(zhuǎn)線速度的6.6倍，因此其線速度約為3069m/s。假設(shè)同步衛(wèi)星的質(zhì)量為x，在計(jì)算過程中如果不對(duì)地球自轉(zhuǎn)的影響進(jìn)行考慮，則同步衛(wèi)星的動(dòng)能則可計(jì)算為：Ek=1/2mv2=4.7x×106J。但是如果將地球作為參照物，則應(yīng)當(dāng)在計(jì)算過程中將地球自轉(zhuǎn)的影響進(jìn)行綜合考慮，此時(shí)同步衛(wèi)星的線速度（v同=5.6v自），相對(duì)于地球的線速度而言，同步衛(wèi)星的線速度約為2604m/s。在這一情況下，同步衛(wèi)星相對(duì)于地球所具備的動(dòng)能為：Ek=1/2mv2=2.1x×106J。由此可知，當(dāng)參照物選取的物體不同，其動(dòng)能也不相同。

　　綜上所述，功和動(dòng)能具有相對(duì)性，這就要求在將兩者進(jìn)行對(duì)比時(shí)，應(yīng)分別針對(duì)不同物體的功和動(dòng)能進(jìn)行對(duì)比，且應(yīng)選擇相同的參照物。在這一條件下，功和動(dòng)能的對(duì)比才有實(shí)際意義。

　　參考文獻(xiàn)：

　　魏仁鳳。高中物理功、動(dòng)能的相對(duì)性的探討［J］。讀寫算：教研版，2013（11）。