高中物理功、動能的相對性的探討

晏小華

（四川省成都市第四十九中學(xué)校）

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關(guān)系，培養(yǎng)學(xué)生舉一反三、融會貫通的學(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、動能的相對性勢在必行，且具有十分重要的作用和意義。

一、功的相對性

（一）相關(guān)概述

1.功的概念

如果一個物體受到力的作用，且在力的方向上發(fā)生一定距離的位移，就可以說這個力對物體做了功。做功有兩個不能缺少的條件：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間上的積累效果；另一方面，功是標(biāo)量，正表示動力對物體做功，負(fù)則表示物體在克服阻力時所做的功。而沖量是矢量，正、負(fù)號都表示方向，物理學(xué)中在計(jì)算沖量時，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，F(xiàn) 做功為W2，比較兩次做功應(yīng)有（ ）。

A.W1＜W2B.W1＞W(wǎng)2

C.W1=W2D.無法比較

由題意可知，第一次物體B 靜止時拉力F 做功為W1，這是將靜止不動的地面作為參照物，其第二次做功為W2，仍舊是相對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)物體的位移對功的大小進(jìn)行判斷，即W1

由此可見，功具有相對性。

二、動能的相對性

（一）相關(guān)概述

1.動能的概念

物體在運(yùn)動過程中產(chǎn)生的能量，稱為物體的動能。動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)動速度越大，動能越大；若物體運(yùn)動速度相同，則質(zhì)量越大，其動能就越大。

2.動能的表達(dá)式及意義

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

3.動能的單位

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

4.動能的特點(diǎn)

由于在某一個時刻，物體在運(yùn)動的過程中具有一定的速度，因此動能具有瞬時性。同時，對于不同的參考系，物體的運(yùn)動速度有不同的瞬時值，因此具有相對性。在動能的定理中，物體的位移、始末動能都必須相對于同一參照系。在一般情況下，將地面作為參考系對物體的運(yùn)動進(jìn)行研究。且動能定理研究的對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。在對動能進(jìn)行計(jì)算時，力可以是分段作用，也可以是同時作用，只需求出各個力的正負(fù)代數(shù)和。

（二）動能的相對性

在高中物理課堂上，一般將地球作為參照系建立動能定理。如果選擇其他參照系，則物體的位移數(shù)值與速度數(shù)值都會產(chǎn)生變化，并且與速度、位移相關(guān)的功、動能都會產(chǎn)生變化。由于物體運(yùn)動的速度具有相對性，且跟參照物的選取相關(guān)，因此，動能無疑與參照物的選取有關(guān)，由此可見，動能具有相對性。我在講授該內(nèi)容時，曾有學(xué)生提出問題，“既然動能具有相對性，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，那么相對于地球而言，同步衛(wèi)星是否具有動能？”要回答這個問題，則首先需要對同步衛(wèi)星的高度以及地球的半徑這兩個常量進(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)算過程中如果不對地球自轉(zhuǎn)的影響進(jìn)行考慮，則同步衛(wèi)星的動能則可計(jì)算為：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，此時同步衛(wèi)星的線速度（v同=5.6v自），相對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)星相對于地球所具備的動能為由此可知，當(dāng)參照物選取的物體不同，其動能也不相同。

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

魏仁鳳.高中物理功、動能的相對性的探討［J］.讀寫算：教研版，2013（11）.