功和能量的差別

【專家解說(shuō)】：功是過(guò)程量——當(dāng)我們說(shuō)到某個(gè)功時(shí)，一定是指某個(gè)物體在某個(gè)過(guò)程中因受到某個(gè)力而產(chǎn)生的這個(gè)功。所謂過(guò)程就是指某段時(shí)間和某段位移。功的三要素是：1）存在某個(gè)作用于某物體上的外力，2）該物體發(fā)生了一段位移，3）外力的方向與位移的方向沒(méi)有始終相互垂直（即夾角的余弦不總是為0）。同時(shí)滿足這三個(gè)條件，我們就說(shuō)在那個(gè)過(guò)程中那個(gè)外力一定對(duì)那個(gè)物體做了功。功是力在某位移上的功。 能是狀態(tài)量——當(dāng)我們說(shuō)到某個(gè)能量時(shí)，一定是指某個(gè)物體處于某個(gè)狀態(tài)時(shí)所具有的能量。所謂狀態(tài)是指這個(gè)物體所在的位置和所具有的速度。能量是物體在某狀態(tài)上的能量。 功是能量改變的量度——如果某個(gè)能量不改變，那就一定意味著某個(gè)力沒(méi)做功；反之，如果某個(gè)力做了功，那就一定伴隨著物體的某個(gè)能量改變了。注意：一個(gè)功至少對(duì)應(yīng)兩個(gè)能量——初始的能量與末態(tài)的能量。 再次強(qiáng)調(diào)：功是力的功，是過(guò)程量；能量是物體的能量，是狀態(tài)量；功伴隨著能量的改變。 比如發(fā)射一顆炮彈，如果是在外太空，那炮彈就一直保持著剛出炮膛時(shí)的速度——它的動(dòng)能不變，為何此動(dòng)能不變呢？因?yàn)闆](méi)有外力作用到炮彈上，也就沒(méi)有功。如果是在地面，那就有重力和空氣阻力作用在炮彈上，空氣阻力的方向時(shí)刻與炮彈的速度的方向相反——在任意一小段位移中，空氣阻力的方向總與炮彈的位移的方向相反，所以阻力的功總是負(fù)的，所以阻力的功總是使炮彈的動(dòng)能越來(lái)越小。重力的方向總是豎直向下，這樣在炮彈上升階段，重力做負(fù)功——使動(dòng)能越來(lái)越??；而下落階段則做正功使動(dòng)能越來(lái)越大。 再如，導(dǎo)線中的電能實(shí)際上就是電線中自由電子定向運(yùn)動(dòng)時(shí)所具有的動(dòng)能。電源產(chǎn)生的靜電場(chǎng)遍布在導(dǎo)線中，這個(gè)電場(chǎng)對(duì)身處其中的電子施以電力作用，不斷推動(dòng)電子加速運(yùn)動(dòng)（類似于上段中炮彈在下落階段重力對(duì)炮彈的加速作用），這個(gè)過(guò)程中就是電力對(duì)電子做正功，使得電子的動(dòng)能增大——導(dǎo)線中的電能增大。但在電子前進(jìn)的沿途，它要遭到構(gòu)成導(dǎo)線的金屬原子的攔截、碰撞，這個(gè)力就類似于上段中空氣阻力對(duì)炮彈的阻礙作用——這個(gè)力做負(fù)功，使電子動(dòng)能減少——導(dǎo)線中的電能減小。這兩種正負(fù)功大小相等時(shí)，電子的動(dòng)能總體平均來(lái)說(shuō)就保持不變（其實(shí)是時(shí)增時(shí)減的）。 在熱力上用的功和動(dòng)力上用的功, 是完全一樣嗎? ——完全一樣！ 因?yàn)椴欢疄槭裁磩?dòng)力的用的功也用焦耳來(lái)表示, 為什么不用N? ——N是力的單位，功則是力與位移的乘積，單位是N.m，給這個(gè)組合單位一個(gè)特殊的名字J，即焦耳。