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为什么做功等于力乘位移?

2021-05-11知识

这种问题就是揣着高中物理知识去猜疑世界,明明看一本【分析力学】就能解决的问题

回到一个根本的定义: 力是动量对时间的导数 。(【自然哲学的数学原理】原话也是说力是动量变化率,力是改变运动状态的因素)

F = \frac{dp}{dt}

接着快进到(单质点)拉格朗日运动方程:

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

s是位移,v是s对时间t的一阶导数,即速度。L为拉格朗日函数。

拉格朗日函数是一个关于位移,速度和时间的隐函数,即 L = L(s,v,t) 。考察一个质点运动体系,我们也只需要关心这三个变量,我们无需知道拉格朗日函数具体长什么样子(不管质点做的是圆周运动还是平抛运动),只要知道运动体系满足 最小作用量原理 (公理),就可以推出这个运动方程,并且所有质点运动都会满足此方程。

那么运动有三大对称性:

根据时间对称性,即能量守恒,推出能量定义:

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

根据空间对称性,即动量守恒,推出动量定义:

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

不难发现(2021/4/27更正):

能量 E 中:

v\frac{\partial L(v^2)}{\partial v} 为质点动能, -L(s) 为质点势能。

故有:

E_{k} = v\cdot p (此处是内积)

那么 功W其实就是能量的转移量

所以就有 \delta W = \Delta E_{k} = d(v\cdot p) = v\cdot dp = v\cdot Fdt = F\cdot ds (点都是内积,F,s,v,p都是矢量,W为标量)