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為什麽做功等於力乘位移?

2021-05-11知識

這種問題就是揣著高中物理知識去猜疑世界,明明看一本【分析力學】就能解決的問題

回到一個根本的定義: 力是動量對時間的導數 。(【自然哲學的數學原理】原話也是說力是動量變化率,力是改變運動狀態的因素)

F = \frac{dp}{dt}

接著快進到(單質點)拉格朗日運動方程式:

\frac{d}{dt} \frac{ \partial L}{\partial v} - \frac{\partial L}{\partial s} = 0

s是位移,v是s對時間t的一階導數,即速度。L為拉格朗日函式。

拉格朗日函式是一個關於位移,速度和時間的隱函式,即 L = L(s,v,t) 。考察一個質點運動體系,我們也只需要關心這三個變量,我們無需知道拉格朗日函式具體長什麽樣子(不管質點做的是圓周運動還是平拋運動),只要知道運動體系滿足 最小作用量原理 (公理),就可以推出這個運動方程式,並且所有質點運動都會滿足此方程式。

那麽運動有三大對稱性:

根據時間對稱性,即能量守恒,推出能量定義:

E = v\frac{\partial L(v^2)}{\partial v} -L(s)

根據空間對稱性,即動量守恒,推出動量定義:

p =\frac {\partial L}{\partial v}

不難發現(2021/4/27更正):

能量 E 中:

v\frac{\partial L(v^2)}{\partial v} 為質點動能, -L(s) 為質點勢能。

故有:

E_{k} = v\cdot p (此處是內積)

那麽 功W其實就是能量的轉移量

所以就有 \delta W = \Delta E_{k} = d(v\cdot p) = v\cdot dp = v\cdot Fdt = F\cdot ds (點都是內積,F,s,v,p都是向量,W為純量)