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为什么做功等于力乘位移?

2021-05-11知识

这个初中的题目我觉得试着回答一下。

我会想假如自己就是牛顿,我会怎么样来发展自己力学呢?

首先要考虑的是如何建立「力」的数学模型,在牛顿之前力只有一个通俗的概念,没有严格的定义,牛顿发现如果没有外力影响,物体总是倾向于保持原来的运动速度,力的作用是改变了运动速度(大小或方向)。得了,既然如此,把力定义成速度随时间的变化率就可以了,于是 F=k\frac{dv}{dt}

其中k 是比例系数,但习惯上我们不把它写成k,而是写成m,也就是质量。或者叫惯性质量。

有了力的定义,我总得拿它来做点什么吧?因为力本身是对速度的微分,对位移的二阶微分,所以再对力做一次微分意义不是太大,那就来做个积分试试。

首先是对时间t的积分,对于单个质点来说, I=\int_0^tFdt=mv(t)-mv(0) ,嗯,这个我就把它定义成冲量吧,外力为零时,mv=常量,这个mv也给个名字,就叫动量。虽然对于单质点来讲动量好象没什么用,不就是个速度嘛,只是多了个系数而已,但是对于多质点的复杂系统,动量这个概念就太有用了,甚至比力的概念还有用。

然后我还可以尝试一下对位置x进行积分,看看会积出个什么东西:

W=\int_{x_0}^{x}Fdx=\int_{x_0}^{x}m\frac{dv}{dt}dx=\int_{v_0}^{v}mvdv=\frac{1}{2}mv^2-\frac{1}{2}mv_0^2

嗯,W还挺有意思,积分的结果直接体现为终态与末态的 \frac{1}{2}mv^2 的变化,W就叫做功吧, \frac{1}{2}mv^2 给个名字叫动能。

所以为什么功等于力乘位移?是因为先有力乘位移,物理学家觉得这个物理量有用,所以给了它个名字叫做「功」,而不是先有了功的概念再有力乘位移。

写在最后:

理论的完善就是不断尝试的过程,比如在这个例子中,我们对时间也积一下分,对位移也积一下分,看看会得到什么结果,如果这个结果有用,我们就保留下来作为理论的一部分。后面还有很多的尝试,比如抛弃力的定义,以作用量为出发点,引入小最作用量原理,建立拉格朗日力学理论。