高中物理功动能的相对性的探讨

高中物理功动能的相对性的探讨

　　高中物理功动能的相对性的探讨

　　晏小华

　　（四川省成都市第四十九中学校）

　　摘 要：功和动能之间虽然有一定的差距，但两者相互联系，相互促进，若一方面对质点做了功，质点动能则会发生相应的变化，且动能变化量与合力做的功是对等的，两者具有相对性。

　　关键词：高中物理；功；动能；相对性

　　随着新课改的大力实施，传统的教学模式已不能满足现代化教学的需求，这就对教育工作者的教学方法提出了更高的要求。高中物理教师应在深入钻研教材内容的基础上，全面掌握教材内容中的实质联系，明确事物之间的相对关系，培养学生举一反三、融会贯通的学习能力，进而提升物理教学效率。在这一背景下，深入探讨高中物理中功、动能的相对性势在必行，且具有十分重要的作用和意义。

　　一、功的相对性

　　（一）相关概述

　　1.功的概念

　　如果一个物体受到力的作用，且在力的方向上发生一定距离的位移，就可以说这个力对物体做了功。做功有两个不能缺少的条件：一是受到力的作用，二是在力的方向上发生位移。

　　2.功的计算式

　　功的计算式为：W=Fscosα。将力的大小、位移的大小、力和位移的夹角的余弦三者相乘，可得力对物体所做的功的大小。

　　3.功的单位

　　在国际单位制中，功的单位为焦耳（J），简称焦。即1J是指物体受到1N的力作用，在力的方向上发生了1m的位移，在这一过程中力对物体所做的功。

　　（二）功与冲量的比较

　　一方面，功和冲量都属于过程量，功主要用来表示空间上力的积累效果，而冲量是用来表示力在时间上的积累效果；另一方面，功是标量，正表示动力对物体做功，负则表示物体在克服阻力时所做的功。而冲量是矢量，正、负号都表示方向，物理学中在计算冲量时，应首先规定正方向；除此之外，做功多少直接由位移、力的大小及位移夹角来决定。冲量的大小由时间和力的大小来决定。结合功的定义可得，功是力、力的方向上发生位移的乘积。然而，在力的实际应用中，学生往往会混淆这一概念。

　　例如，将木块A叠放在木块B的左上方，采用恒力F将木块A拉至木块B的右端，第一次将木块B固定于地面上，F做功为W1；第二次，木块B在光滑水平面上滑动，F做功为W2，比较两次做功应有（）。

　　A.W1＜W2 B.W1＞W2

　　C.W1=W2 D.无法比较

　　由题意可知，第一次物体B静止时拉力F做功为W1，这是将静止不动的地面作为参照物，其第二次做功为W2，仍旧是相对于静止的地面来说的。两次过程中物体B都是将地面作为参照物，且拉力相同，因此需根据物体的位移对功的大小进行判断，即W1<W2。部分学生将B作为参照物，认为相对于物体B而言，物体A两次的位移相等，因此做功相等，于是选择答案C。但是要比较两次做功的大小，参照物就应当相同。而第一次物体B静止，第二次物体B运动，这并不属于同一个参照物，因此不能将物体B作为参照物比较功的大小。

　　由此可见，功具有相对性。

　　二、动能的相对性

　　（一）相关概述

　　1.动能的概念

　　物体在运动过程中产生的能量，称为物体的动能。动能的大小定义为物体质量与速度平方乘积的二分之一。因此，若物体质量相同，则运动速度越大，动能越大；若物体运动速度相同，则质量越大，其动能就越大。

　　2.动能的表达式及意义

　　动能是标量，没有方向只有大小，恒为正值。动能的变化属于过程量，且动能具有相对性，动能的值与参考系的选取相关，一般选择地面作为参考系。动能的表达式为：Ek=1/2mv2。即物体的动能等于物体质量与速度平方乘积的二分之一。

　　3.动能的单位

　　在国际单位制中，动能单位为kg·m2/s2，是由动能的质量单位与速度单位确定的。

　　4.动能的特点

　　由于在某一个时刻，物体在运动的过程中具有一定的速度，因此动能具有瞬时性。同时，对于不同的参考系，物体的运动速度有不同的瞬时值，因此具有相对性。在动能的定理中，物体的位移、始末动能都必须相对于同一参照系。在一般情况下，将地面作为参考系对物体的运动进行研究。且动能定理研究的对象通常是单一的物体，或者可以将其看作单一物体的物体系。在对动能进行计算时，力可以是分段作用，也可以是同时作用，只需求出各个力的正负代数和。

　　（二）动能的相对性

　　在高中物理课堂上，一般将地球作为参照系建立动能定理。如果选择其他参照系，则物体的位移数值与速度数值都会产生变化，并且与速度、位移相关的功、动能都会产生变化。由于物体运动的速度具有相对性，且跟参照物的选取相关，因此，动能无疑与参照物的选取有关，由此可见，动能具有相对性。我在讲授该内容时，曾有学生提出问题，“既然动能具有相对性，那么同步卫星与地球处于相同的'角速度，好像在地球赤道平面的正上方静止不动，那么相对于地球而言，同步卫星是否具有动能？”要回答这个问题，则首先需要对同步卫星的高度以及地球的半径这两个常量进行了解。已知，同步卫星的运行周期是24h。经过计算，得知同步卫星高度与地球半径分别约为3.6×104km与6.4×103km。可以发现，同步卫星的高度约为地球半径的5.6倍。由于同步卫星的角速度与地球的角速度相同，但是线速度不同，地球自转的线速度约为465m/s，而同步卫星的线速度约为赤道上地球自转线速度的6.6倍，因此其线速度约为3069m/s。假设同步卫星的质量为x，在计算过程中如果不对地球自转的影响进行考虑，则同步卫星的动能则可计算为：Ek=1/2mv2=4.7x×106J。但是如果将地球作为参照物，则应当在计算过程中将地球自转的影响进行综合考虑，此时同步卫星的线速度（v同=5.6v自），相对于地球的线速度而言，同步卫星的线速度约为2604m/s。在这一情况下，同步卫星相对于地球所具备的动能为：Ek=1/2mv2=2.1x×106J。由此可知，当参照物选取的物体不同，其动能也不相同。

　　综上所述，功和动能具有相对性，这就要求在将两者进行对比时，应分别针对不同物体的功和动能进行对比，且应选择相同的参照物。在这一条件下，功和动能的对比才有实际意义。

　　参考文献：

　　魏仁凤。高中物理功、动能的相对性的探讨［J］。读写算：教研版，2013（11）。