为什么定义物理学中做功公式是W=FS呢?
这个问题非常好。
在物理学中,功其实就是能量,从某种意义上来说,能量比力更基本,比如在分析力学中,只需要用拉氏量(本质上就是能量)就可以解决全部力学问题,所以力这个概念是多余的,当然了,因为牛顿一开始引入了力的概念,所以一直沿用至今。而且,当时大家分不清楚力与能量,慢慢地才搞清楚了这两者的关系,也就是你写的那个公式W=FS。
能量与力的关系是很简单的,用牛顿的微积分的语言来说,能量是力对位置的积分。在初中里,我们一般考虑 力的大小是不变的,所以就有了你写的那个公式W=FS。
换句话说,这个W=FS是通过牛顿的微积分引入的,本质上它等价与一段时间内力的作用所产生的效果,这个一个描述过程的物理量,而力本质上是一个瞬时量,这两者是有很明显的区别的。我给你打个比方,比如你每天大概能赚400元,一年大概能赚13万。那么,13万就是你的“能量”,而400元就相当于力。这两个概念是可以相互推导的。
为什么要引进W=FS?因为这是从量纲分析里出来的,我们知道能量的单位是焦耳,而当时焦耳发现了热量与能量是等价的,也可以用焦耳做单位,同时,力的作用效果也可以产生热量,把这个热量转为功,就是W=FS这个表达式,这方面可以从实验与理论两个层面进行推导,具体怎么推导的建议你看看物理学史方面的书,我觉得这个问题是很好的,因为你问到物理学的思想史,只有了解这些思想,才能真正明白物理是什么。
(1)引力做功公式:
做功和惯性一样,在中学课本里都是比较难理解的概念之一。为什么难理解,因为公式建立在忽略了某些微观细节的理想模型上,所描述的物理现象就会与人对现实的认知有出入,因此无法接受。有时候是人错,而有时则里公式错了。
而这次是公式有问题。
1、功(w)在物理科学里面和能量(E)是等价的,即W=E。但是深入解读你会发现,功是个矢量(有方向的量),而能量却是个标量,两者是不能相等的。但是不相等又违反能量守恒定理,于是又引入负功的概念今其相等。
公式的问题解决了,与现实的观念冲突却没有解决。
比如:老板A让下属B去送份文件给老板C,B完成任务后返回,而A拒付薪酬,理由是B去C处做了正功,而B从C处回来又做了负功。正负功之和为零,等于没做功。这就是老板可以拒付薪酬的科学理由。
这显然是科学造就的一个笑话。
但这还不是公式的最大问题。
最大的问题是,按此公式做计算会得到一些更加错误的科学结论。
比如,物体静止在地表,重力没有做功;卫星在天上飞,地球引没有对卫星做功……等等。
实际上两者都做了功。
先分析第一个。
首先要明确一点,物体之所以能静止在地表,是由地表原子核外的大量电子提供了支持力。
把物体A视为一个微观层面的弹性粒子,则地表的B电子会把A粒子推开,因为A粒子是不充许进入B电子轨道的。然后重力把A粒子拉下来,B电子再次推开……结果就是重力在对A粒子反复作功。
因此,重力对静止物体也在做功。
再看问题二,卫星所做的匀速圆周运动实际上只是抛物线运动的特殊形式,它可以分解为自由落体运动与水平运动。承认重力对自由落体运动做功,却又否定了重力对包含自由落体的匀速圆周运动做功,在逻辑上是自相矛盾的。
总之,做功公式W=FS有问题,它甚至影响到我们对引力机制的认识。当然,那会是另一篇文章。
而把做功公式改为:
W=FT
会更合适。即做功的含义为:用了多大的力气干了多长时间。