廣義功

廣義功

廣義功儘管兼收並蓄,包羅很廣,但在所有做功過程中有一個共同的表觀特點,就是一定有巨觀位移產生,或者可以歸結為巨觀位移的作用。例如,被推動的活塞所發生的是一種巨觀位移,而電場、磁場的變化則可以歸結為電荷的巨觀位移的作用。機械功就是作用力和力做用下受力質點的巨觀位移的標積來計算。所以,效仿機械功,廣義功的廣義元功可以用廣義力和廣義元位移的乘積表示為:dA=FxdX

基本信息

其中,X為廣義坐標,dX為廣義位移,Fx為與所選廣義坐標相對應的廣義力。廣義坐標、廣義位移和廣義力等都是由分析力學借用的概念。 廣義坐標並不一定是我們平常使用的線坐標,也可以是角坐標、面積坐標,甚至是非幾何的物理量;如何選取,視所研究的具體做功過程由方便出發而定。廣義坐標選定之後,廣義位移和廣義力就相應地確定了。廣義位移的量綱自然與廣義坐標的量綱一樣;而廣義力的量綱則不一定是力的量綱,但它與廣義位移乘積的量綱則一定要和機械功的量綱相同。例如,為了方便計算上述活塞發生巨觀位移的準靜態過程中推力的功,可選氣缸中氣體的體積V為廣義坐標,則體積變化為廣義位移,而廣義力為氣體的壓強P,於是所要計算的廣義力的功A為:

A=(PdV)從V1到V2的積分,其中V1、V2分別為過程開始與終了時氣體的體積。

本質特徵

做功過程的本質特徵時,它必然伴隨著能量形式的轉化,即伴隨著能量從一種形式轉化為另一種形式。而在中學物理,由於功的定義只限在機械功的範圍,因此它得出的能量守恆定律最多,只能是機械能守恆定律的推論。學生並不能從物理機制的本質上去理解它,而憑著生活經驗去想像。其實也就是把能量守恆定律局限在力學的範圍里。我們知道機械能守恆定律完全可以由牛頓定律推導出來,僅僅使牛頓運動定律的一個推論,當然也就體現不出普遍的能量守恆定律的高度綜合、聯繫和概括一切自然現象的本質的深刻意義。在普通物理的範疇里,廣義功的出現使得與之相聯繫的其他能量形式被引入功能關係的視野。如上活塞做的廣義功對應了內能的變化,而更一般地,當其他形式的廣義功對應著其他形式的能量,比如電磁能、核能等等,那么能量守恆定律真正地從功能轉化的角度被深刻地認識了。也就是說,在普物的範疇里,能量守恆定律才真正從機械能守恆定律中獨立出來,成為一條概括一切自然現象本質的普適的定律。

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