功的定义里的位移指的是什么的位移?
我们先来看功的定义:“功是力的大小、位移的大小、力和位移夹角余弦的乘积”,或者表述为:“力和力方向上的位移的乘积”。在实际运用中,经常遇到要判断力是否做功的问题,力和夹角往往比较好找,有没有受力,什么方向多大的力,都容易分析计算,但关于这个位移的说法却有两种:一种说法认为该位移是作用点的位移,第二种说法则认为位移应该是物体的位移。哪种说法对呢?
看一个例子:一小木块滑上一固定的粗糙长木板,滑行一段距离后停下来,这个过程中摩擦力对长木板做功了没有呢?一般判断方法是:小木块受摩擦力停下来,根据牛顿第三定律,当然长木板也受到了大小相等方向相反的摩擦力,由于长木板固定,物体没有位移,该摩擦力对长木板当然不做功!但如果用第一种说法,看作用点的位移,小木块在长木板上滑动,长木板的摩擦力作用点在木块向右滑动的过程中发生了移动,那么摩擦力应该做了功。这不是出现了矛盾?
再看个例子:一个人蹲在地面上,慢慢直身站起来,这个过程中,地面对人的支持力做功了没有呢?如果我们看作用点的位移,脚站立的地方没有变,支持力的作用点没有移动,支持力应该不做功。但明显这人站立起来了,按第二种说法,物体相对地面的位置发生了改变,人的重力势能增加了,岂不是支持力做了功?又出现矛盾!
实际上,这是对功的概念没有理解透彻造成的矛盾。如果明确:力的作用点也就是物体的受力点,位移就是“受力点的位移”,这个问题就迎刃而解了!前一个例子中,木块和木板都可看成刚体,木块在长木板上滑动,其作用点不断右移,其实并不是力作用的那个质点发生了位移,而是力的作用点的依次改变,由于摩擦力作用的每一个质点本身并没有移动,也就没有产生位移,故而该摩擦力不做功。和第二种说法中物体没有发生位移,摩擦力不做功并不矛盾。
由于位移只对点有定义,所谓“物体的位移”是指物体可以看成质点时的位移,在第二个例子中,人站起来的过程中,脚相对身体的相对位置发生了变化,这时再把整个“人”看成一个质点,就与实际情况不相符了,而必须把脚和身体看成两个物体,理想化为一个质点组。对于看成质点组的物体,再讲整个物体的位移就毫无意义了,而必须明确指出所说的位移是质点组中哪个物体(质点)的位移。支持力对质点组来说应该是质点组的外力,对质点组没有做功。因为力作用在脚上,而脚没有发生位移。人身体产生的位移其实是质点组内部质点位置的相对变化,也就是“脚”与“身体”作为质点组的两个质点间的相互作用的内力做功引起的。而外力也就是支持力没有做功。第二种定义与事实也没有矛盾。与此相似的情形还有:人站在光滑面上推固定墙,手没离开墙,但人身体整个后移,墙对人的支持力做不做功?由前面的叙述可知,该支持力对质点组的力属于外力,其作用点并没有位移,故不做功!
从这里我们看出,其实对功的定义里位移的两种说法都没有错,只是在中学物理阶段,研究对象和学习内容的局限性造成的。结论:做功的位移是指力作用的那个质点的位移。当研究对象能看成刚体时,该位移同时也是物体位移;若研究对象是质点组,则找准在该力作用过程中实际作用质点的实际位移。
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