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关于物理学里面的功,有以下几个疑惑,有大佬解答一下吗?
2024-11-19 阅读 21
当然可以,我会尽力回答你的问题。请问你有哪些关于物理学中的功的疑惑呢?
更新于 2024年11月21日
这个问题,在费曼的《讲义》中说的非常清楚了。最直接的回答就是,这是骨骼肌自身的特点决定的。
从做功的角度,第二种情况下你当然做功了,只不过对物体而言,做功效率为零。你做的功产生的效果就是骨骼肌的颤动,进而耗散成为热。
推而不动时,宏观上你确实没有对箱子做功,但是肌肉确实消耗了化学能,这里需要一点生物学知识。
人的肌肉在宏观上收缩时,在微观看是大量微小的肌纤维之间的相对运动叠加起来的(可以去b站搜索关键词:肌动蛋白,肌纤维等的动画掩饰)当推而不动时,肌肉微观上并不是静止的,而是发生着微小的抖动,也就是肌纤维之间不断发生着微小而往复的相对运动。
这个问题很有意思,很多初学物理的同学都弄不明白。我就不卖关子了,直接说答案吧!
确实有可能你在两种情况下消耗的能量是一样的,两种情况都是消耗了你体内的化学能量。
对于情况1,物体运动了,你的一部分能量转换成了物体的动能(之所以是一部分能量是因为能量转换效率无法百分之百,有一部分能量转变成热耗散出去了,参见热力学第二定律。)。
对于情况2,物体没有动,但是你确实消耗能量了,这些能量都到哪里去了呢?答案是被你自己的身体吸收了,通过多次能量转换之后最后都变成热消耗掉了。
很多人不理解情况2中能量是如何消耗掉的,我们把人体推物体的过程简化气缸推物体就容易理解了。假定气缸内有可燃气体和氧气混合,点燃缸内气体,情况1相当于气体膨胀推动活塞,活塞推动物体做功。现在我们把活塞焊死(或者把物体焊死,结果一样)情况会怎么样呢?气体受热,但没法对外输出能量,温度会变得很多,比第一种情况要高得多,然后这个热量只能被气缸壁吸收,然后慢慢向环境散发去。
回答是:一、关于功的概念:功有狭义与广义两种理解。
狭义的功,就是机械功,在我们中学定义为W=FLcosa。
大学物理教科书的定义更为严格,例如,《新概念物理教程 力学》的定义是:力与位移矢量的标积(即力沿位移的分量与位移的乘积) 沿运动轨道的线积分定义为力对该物体所做的功(记作A):
简单的,当作用力为恒力F,受力物体的位移为△r时,功W=F•△r。
功的概念可以扩展到其他领域,例如,电流通过电阻生热的过程称为电流做功,简称为电功。又例如,在化学电池内部,由于发生化学反应而产生电动势的过程,称为非静电力做功,这些都不是机械功,而是广义功。
广义功一般定义为广义力与广义位移的乘积,但在中学教材中则需要变通,例如,初中教材讲电功时:"消耗多少电能,就说电流做了多少功",这实际上是从能量转化的角度去认识广义功。
先回忆一下初中学生对功的认识过程:按照以前统一使用的人教社教材的安排,在初中二年级学习力学时,有一章"简单机械和功",学生第一次在物理课堂上学习了功,它就是狭义的功,即机械功,那时的定义是:一个力作用在物体上,使物体沿力的方向移动了一段距离,就说这个力做了功。功 W的大小等于力F与物体沿力的方向移动的距离s的乘积,即W=Fs。
到了初中三年级,学习热学时,要讲引起物体(实际是热力学系统)内能变化有两种途径:一种是热传递,另一种是做功。这里没有出现热力学第一定律的名词,但实际上这是在讲热力学第一定律,即△E内=W+Q。这里的 W实际上并不限于机械功,而是可以扩展到其他领域的广义的功,但为了教学上的简便,这时并不明确地把功的概念扩展开来,而是只举些诸如摩擦生热、弯折铁丝、压缩气体引燃起爆等实验和例子,学生(至少是绝大多数学生)会认为此时的W仍然是指机械功。再往后学习到电学时,要讲电流做功,明确地把功的概念扩展开来,说明"消耗多少电能,就说电流做了多少功",这时的电功(电流做的功)可以说是"电能转化为其他形式能量的量度",这里功的概念正式从机械功扩展到其他领域。
也就是说广义功可以从能量变化角度,“功是能量转化的量度”来理解。
二、人举着杠铃不动为什么要消耗能量?
人举着杠铃停在空中不动,人对杠铃的作用力不做功,从而杠铃的机械能也不发生变化,但运动员把上百千克甚至更重的杠铃举在空中,不能像把杠铃放在水泥台子上一样,要完全靠骨骼支撑,同时肌肉也是紧张的。再说重重的杠铃举在上面,属于不稳平衡,难免会有微小的晃动,需要人时时注意调整,而这些动作都需要骨骼和肌肉同时参与,骨骼相当于杠杆,由肌肉拉着骨骼转动,这都是人体内的内力做功的过程(不是单纯的机械功),因此同样要消耗能量。
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