如何理解做功與能量轉(zhuǎn)化的關(guān)系

中圖分類號：G62 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-5811（2013）03-0281-01

摘要：在教學(xué)過程中，當(dāng)學(xué)習(xí)了新的知識--能量后，學(xué)生中普遍存在對于概念理解不清晰、相關(guān)的定理定律應(yīng)用不當(dāng)?shù)葐栴}。本文旨在通過多種思路分析能量和做功之間的關(guān)系，幫助學(xué)生在根本上認(rèn)識能量，掌握關(guān)于能量變化的規(guī)律。

關(guān)鍵詞：能量 做功 規(guī)律

新知識—能量引入后，很多學(xué)生往往不能理解相關(guān)的定義和定理，造成了概念混淆、記憶紊亂的問題，本文將從定義、概念等基礎(chǔ)入手，分解思路來闡述關(guān)于能量和做功的定義和聯(lián)系。

（1）能量：課本在引入能量這個概念前，首先介紹了伽利略關(guān)于做斜面實驗時提出的一個假設(shè)——如果沒有其他的外力因素影響，從一個斜面上滾下的小球必將回到另外一個斜面與之等高的地方。從而提出了一個問題——究竟是什么使得小球回到“記憶”中的高度。后來的物理學(xué)家把這種能夠使小球回到記憶位置的物理量稱之為能量。由于能量的種類有很多，針對現(xiàn)在的物理學(xué)基礎(chǔ)和知識，我們只介紹其中的兩大類——勢能和動能。

（2）勢能：講到勢能，就必須要提出學(xué)生中容易犯的第一個錯誤——把重力勢能直接等同于勢能。首先我們看一下勢能的定義——物體由于具有相對位置而具有的能量。此時我們就不能不求甚解的只記住它的定義就好了，而是需要更深一步的想：為什么具有相對位置的物體之間會存在勢能？在我們最初學(xué)習(xí)能量概念的時候，發(fā)現(xiàn)能量是無法直接測量或者度量的，因此我們引入了做功的概念——物體做多少功，物體就具有多少的能量。可以說，我們是通過做功來度量能量的。現(xiàn)在我們來回憶我們現(xiàn)階段學(xué)習(xí)過的幾種勢能：重力勢能；彈性勢能；電勢能。

重力勢能——被居高的物體具有重力勢能；

彈性勢能——發(fā)生彈性形變的物體具有彈性勢能；

電勢能——電荷在電場中具有電勢能。

現(xiàn)在我們就來分析一下為什么會具有這些能量，同時來說明在受力過程中，能量如何變化。我們知道，地球上的物體都受到重力的作用——萬有引力的一個分力，我們可以簡化為萬有引力。如果我們把地球看為一個質(zhì)點，居高的物體在不受其他外力的影響下，只受重力，那么重力必然會牽引著這個物體逐步的到達(dá)地心，在這個運動過程中，重力與位移方向一致，物體對外做正功，說明它本身具有能量。我們把這種由于具有相對位置，同時物體間存在相互作用，會使得它回到某個位置的能量，稱之為勢能。所以說，重力勢能是由于受到重力（萬有引力）而存在會使得位置發(fā)生變化的能量，同樣的道理，發(fā)生彈性形變的物體，在不受其他外力的情況下，一定會回復(fù)到原來的狀態(tài)，在這個過程中會對外做功，因而具有彈性勢能；電場中的電荷，在不受其他外力影響下，正電荷會沿著電場線的方向運動、負(fù)電荷會沿著電場線的反方向運動，電場力或庫倫力做正功，說明電荷在電場中具有電勢能。

從字面上理解，勢能中的“勢”有趨勢的意思。因為具有相對位置的物體，之間必然有相互作用，也就是有作用力的存在，因而這些物體會發(fā)生位置變化的趨勢，而能使得這些位置發(fā)生變化的能量，就是勢能。

以地心為零勢能面，處于地心的物體不會發(fā)生位置變化，說明沒有重力勢能，或者說重力勢能為零，在上文中我們知道，居高的物體能回到地心，說明居高的物體具有重力勢能，而回到地心的過程中，重力做正功，因此，重力做正功，重力勢能減少。因此，設(shè)置一個零勢能面，位于零勢能面以上的物體，在不受其他外力作用時，重力會使得該物體到達(dá)零勢能面，因而具有正的重力勢能；位于零勢能面以下的物體，重力不能使該物體回到零勢能面，必須有其他外力對它做功才可以回到零勢能面，在這個過程中，重力做負(fù)功，重力勢能增加，說明零勢能面以下的物體具有負(fù)的重力勢能。

通過類比思想，發(fā)生彈性形變的物體會恢復(fù)原狀，從而彈力對外做正功，彈性勢能減少；外力使得彈簧發(fā)生彈性形變，彈力做負(fù)功，彈性勢能增加。電場中的電荷，電場力做正功，電勢能減少；電場力做負(fù)功，電勢能增加。

（3）動能——運動的物體具有的能量。相對于勢能來講，動能更容易理解，要使得運動的物體變得靜止，要使得速度變?yōu)榱?，需要有?fù)的加速度，即與速度方向相反的力（阻力），在此過程中，阻力做負(fù)功。同樣的，要使得靜止的物體運動起來，必然要有正的加速度，即受到動力，使速度增加，在此過程中，動力做正功。根據(jù)牛頓第二定律知道，加速度是由合外力決定的。因而在動能變化過程中的阻力或動力，其實就是合外力。因此，合外力做正功，動能增加’和外力做負(fù)功，動能減少。這也就是動能定理的分解理解。動能定理——動能的變化量等于合外力所做的功。

（4）能量守恒和機械能守恒：

能量守恒定律是由不同的科學(xué)家，以不同的方式獨立提出的：能量既不會憑空產(chǎn)生也不會憑空消失。它只能從一種形式轉(zhuǎn)化為另一種形式，或者從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，在轉(zhuǎn)化或轉(zhuǎn)移的過程中，能量的總量保持不變。由于能量守恒定律，永動機是無法造出來的，也就是說，不存在一種機器在沒有外界供給能量的前提下不停的對外做功。同時，盡管能量是守恒的，但是由于各種能量的使用便利程度不同，一部分能量轉(zhuǎn)化過程中會產(chǎn)生內(nèi)能，從而出現(xiàn)能量耗散，因此我們需要節(jié)約能源。

機械能是能量的一種，動能和部分勢能的和是機械能。這部分勢能包括重力勢能和彈性勢能。在只受重力的情形中，由于位置的變化，重力勢能做正功，重力勢能減少，但是同時，由于加速度方向和運動方向相同，速度增加，動能也會增加。豎直上拋的物體，速度減小，動能減少，位置上升，重力勢能增加。壓縮的彈簧恢復(fù)原狀，彈性勢能減少，位于彈簧頂端的小球具有速度，有了動能。

由于我們知道能量的守恒，因此，上述能量轉(zhuǎn)化過程中，重力勢能減少的量等于動能增加的量，彈簧彈性勢能減少的量等于小球動能的增加量。因此，在以上描述的情形中，由于只受重力和彈力的作用，能量也是在重力勢能、動能和彈性勢能之間進(jìn)行轉(zhuǎn)化，在整個系統(tǒng)中，機械能的總和保持不變。這就是機械能守恒定律：當(dāng)只有重力和彈力做功時，機械能保持不變。

當(dāng)我們把這些概念理解以后，進(jìn)行一次總結(jié)：

重力做正功，重力勢能減少；重力做負(fù)功，重力勢能增加。電勢能和彈性勢能同理。

物體只受重力和彈力時，機械能守恒；物體動能的變化量等于合外力所做的功。因此，機械能守恒時，物體可以受力，該力也可以做功。當(dāng)物體動能保持不變時，物體要不不受力（勻速直線運動），要不合外力不做功（勻速圓周運動）。