《论能量及做功的本质》

王达水/著

（ 421006   中国衡阳   长沙铁路总公司衡阳北站 ）

（笔者注：本文在投稿相关杂志后，张贴于本网，以与广大学者探讨。 ）

摘语：力的特性除了“大小、方向、作用点”之外，还应该包括“施力的主体、受力的客体、作用的时间”之另外三大特性，才能构成一个真实的力。实际上，力做功之自然规律，是能量的释放或转移过程，本质是力的时间积累效应。能量的真正本质是物体的质量与它的速度之积(mv)，是动量的特性。动量及守恒定理在深刻的本质上，实际上早已把经典力学在能量及做功方面的不同理论进行了完美地统一与揭示。

关键词：力、做功、位移、时间、质量、速度、能量、本质

引言

物理学是研究与认识、探索与揭示客观物质（物体）的规律与本质的一门学科，特别是关于研究物体的结构、能量、运动及其规律与本质的一门学科。特点在于尊重实践性（实验），把握规律性，揭示本质性，提升理论性。其中，在认识与探索的研究中，受到观察方法、思维模式、研究工具、相关科技的现状的影响与制约，尤其当新观念、新思维、新方法、新技术、新技能发现从前一些理论或成果之不足或谬误之际，及时纠正与发展、超越与突破，是物理学的基本原则，是物理学的一贯精神，是科技探索必然的发展进程。

因此，当今天的后现代物理学发现经典力学的一些偏差与谬误之际，特别是最基础地方的理论缺陷与错误之际，无论发现者是谁，对其成果，我们都应该以物理学最基本的科学原则和原理，也就是实事求是的原则来对待、来判定、来接受、来发展、来创新、来进步。挑战与超越从来就是物理学最传统的学风与精神。

经典力学在能量的做功问题上，存在三处显然的不完备性，或者说是三大困惑：第一，力的“大小、方向、作用点”三大特性不足以构成一个真实的力。第二，力是矢量，但是，力做功的过程及结果却是没有方向的标量，这与实践不符。第三，外力做功是力与位移之积，可是，位移（路程）是速度和时间的函数 [  s = f ( v, t )  ]，无论速度恒定还是规律性变化，时间必然决定路程。透过这三大困惑，我们不难发现经典力学在理论上存在一些严重偏差，甚至是谬误，因此不可回避，必须予以彻底纠正。

1、力的六大基本特性

经典力学对力的定义是：力是物体间的相互作用。这个定义实际上包含了力的六大基本要素：一是具有一个施力体，或者称之为作用的主体；二是至少具有一个受力体，或者是称之为被作用的客体；三是力的作用点；四是力的大小；五是力的方向；六是作用的时间。可见，“主体、客体、大小、方向、作用点、作用时间”是构成真实的力的六大基本特征。

力的“大小、方向、作用点”特性，是经典力学早已认识并定义的。但是，“主体、客体、作用时间”是经典力学严重忽略的，或者说是当初没有认识到的。仅仅具有“大小、方向、作用点”三大特性之力，显然是不能构成实实在在的力量及其作用（做功）的效果。这是经典力学的第一个认识偏差。所以，经典力学在对力的本质认识上，必须补充“主体、客体、作用时间”这新的三大特性，从而让人们以力的六大特性，来全面地认识、理解、揭示“力”的自然规律及真正本质。

牛顿第二定律告诉我们，力的作用效果是对物体（客体）产生加速度（F=ma），获得新的速度、产生位移的最终效果。经典力学对能量的定义是：能量是做功的本领，具体表现为功是力与位移之积。显然，力的本质是能量，力的作用是能量的释放或传递。可见，能量的本质特性，必然意味着或者是表现为力量的作用。显然，能量就是力（力量），力就是能量。

2、能量及做功特性

2.1经典力学对能量的基本定义是：能量就是可以做功的本领。也就是说，能量和功是等价的。进一步地，能量就是使得物体产生空间位移或形状改变的能力及其这个运动变化的过程。显然，能量是一种物理规律或物理过程，但是，经典力学在对能量这一确定的物理规律的认识与描述上，特别是在物理公式的揭示方面，有几种不同形式：

动能公式：Ek = mvv/2

势能公式：Ep = mgh

冲量公式：I= F×△ t = ma△t = mv

动量原理：Ft=m(v2-v1)=mv,  △ P=F×△ t=mv2-mv1=m△v

能量守恒原理：m1v1+m2v2=m1v1'+m2v2'

显然，经典力学动能原理、势能原理、动量原理，在研究物体的运动规律所表现出来的能量特性时，其共性的认识是物体具有质量和速度，尽管速度有变化的情况，但是瞬时速度是肯定的。然而，它们在如何确定同一运动物体的速度特性的量级问题上，却显然地不相等、不兼容。

可见，在力之能量与做功的认识与描述上，不同的描述间彼此存在极大的差别及矛盾。这些差别和矛盾的产生，显然来源于经典力学对能量做功导致物体运动之本质过程的认识取向上。因此，经典力学对能量产生位移并做功这一物理规律的深刻本质性认识上，具有较大的局限性和不完备性，这是经典力学理论上存在的第二个显然的认识偏差。

2.2 能量是做功的本领，具体表现为可以使物体产生位移或变形。能量的释放及做功的形式多种多样，其形式有：机械能（力）、动能、势能、热能、光能、风能、电能、磁能、核能、等等。做功的过程本身表现为两个方面的同时进行，一是能量体（主体）的能量释放或转移。二是能量使其它物体（大至天体、小至粒子）或者说是客体（被能量作用的那一方）产生加速及位移，或者是变形，或者是自转加速三种情况。其中，产生位移及变形有两个特征，一是从何处起开始位移（变形），二是沿什么方向进行位移（变形）。可是，不同的起点、不同的方向，必然导致不同的作用效果和结果。可见，无论什么能量做功，其做功过程的共性，必然是一个矢量运动过程，而不是如经典力学判定的那种纯数量上的标量特性。因此，经典力学在认识“力做功”问题上的理论具有明显的缺陷，需要从新修正与发展。

2.3  能量做功的矢量特性，首先体现在能量本身的矢量特性上。能量本身的矢量特性，指的是能量在释放或转移的过程中的方向性，也就是能量体从什么方向（沿什么方向）释放能量，产生作用力的方向，从而才产生沿该方向对客体产生位移的作用及运动的变化过程及结果。

2.4  能量做功的矢量特性，其次体现在做功的直接效果上。因为，事实上位移及过程本身是矢量，不是标量，方向不同，则过程不同，位移的结果必然不同。最典型的常识性事例是，登乘不同方向的地铁列车，乘客位移的结果是不一样的，特别是在方向上搭错车的情况下，必然出现与乘客目的地背道而驰的位移结果。

2.5  在此，我们需要明确一点，能量主体在释放之前，并不表现出能量之力量的特性和做功的特性。即，能量只有在能量的储存体进行（开始）释放能量并使客体或者是自己产生位移的过程中，才能称之为能量，否则，也只能是一种物质或物体。这是经典力学在如何准确认识做功本质特性的问题上，从来就忽视和忽略的。

由于经典力学对于能量做功特性认识上的上述种种不足，以至留下了那么多遗憾与偏差，甚至是困惑与阻碍。

3、能量做功过程分析

3.1  经典力学认为，功（w=Fs）是标量，动量（P=mv）是矢量。可见，针对能量做功，究竟应该是矢量特性还是标量特性的不同认识、判定与结论方面，经典力学还在自身理论体系内部存在显然的矛盾。

 力是显然的矢量，具有“大小、方向、作用点”三大基本特性。尽管位移量的长短是一个标量，但是，一个矢量（作用力：F）与一个标量（位移量：S）之积，凭什么就必然是标量而不是一个矢量之结果呢？经典力学没有给出理由，而是强行定义W=FS的结果是标量而已。做功是一个动态的过程，而W=FS则是一个静态的描述与结果。然而，动量（mv）也是一个标量与一个矢量之积，可是，经典力学却对其结果定义为矢量特性。显然，经典力学在能量做功认识与揭示上，存在严重的不完备性，甚至是对做功本质的主观臆测的结果，并强行灌输给整个物理学及一切后来者。可见，经典力学在理论的基础部分存在明显的典型性认识偏差。

力做功和动量原理，都是由一个矢量与一个标量之积构成，但在经典力学的理论体系中，其理论结果的特性却显然不同。这是一对矛盾，经典力学必须直接面对并应彻底解决。否则，物理学长期以来的沉闷与缺陷、限定与束缚是难以超越的。

3.2经典力学认为，能量做功的本质是力与物体位移量之积（W=FS），做功是一个标量，不具方向性。物理量纲是牛顿米，称之为焦尔。但是，能量做功的一个显著效果是让客体具有方向性的速度产生变化，一是方向方面的变化，二是速度量值上的变化。

显然，如果能量做功的过程及本质仅仅只是一个标量的话，那么，这样的能量做功，同热机（蒸汽机、内燃机）的汽体（气体）分子质量与速度的动量推动工作原理，或火箭的动量工作原理显然不相符合，因而理论脱离实际。当然，实践早已充分证明，力的方向不同，做功的位移过程及结果必然不同。

事实上，动量的矢量特性，是机械能的完全弹性碰撞直接验证了的。所以一个矢量与一个标量之积，结果必然是矢量。因此，力的位移过程所做之功（W=FS）只能是矢量。而经典力学对功的标量定义，与实际的自然规律和人类的科技实践格格不如。可见，能量做功具有确切的方向性，完全具备矢量特征。对“功是标量”的判定，是经典力学的第三个认识偏差。

3.3  能量的转移及储存。能量做功，并不意味着只推动物体运动一段确定的距离。按照惯性定律和能量守恒定律，当一个力推动一个物体运动了一定时间后，如果没有其它力量的作用介入或者是干扰，那么，这个物体必将继续运动下去，继续保持外力作用至最末的那个速度运动并继续产生位移量的递增。同时，路程是时间的正比例函数（  s = f (v、t)  ），因此，无论速度恒定（ s=vt ）或者是变化( s=att )，时间必然决定路程。

可见，一是位移不是力做功的过程，也不是做功的本质。二是力做功的过程只能是力与另一个比路程更基本的变化要素（时间）的共同作用特性，是力的时间积累效果，其中，位移量（s）是该作用时间里物体经过的路程，是力的时间积累（Ft）的必然结果。同时，这个路程还受到物体原来的初速度的直接影响。显而易见，经典力学以力与位移之积（FS）定义为功，具有片面性与主观认同性，进而背离了能量做功的本质特性，是经典力学的第四个认识偏差。

3.4 牛顿第二定律和物体的动量守恒特性，能够准确地对力的六大特性进行整体性描述。能量主体促使客体产生加速度和速度，以及运动的过程，其最最终的整个位移量仅仅只是结果。这个结果显然取决于能量的大小（F）、力的作用时间（t）、客体的质量（m）、客体的初速度及方向。当力 ( F ) 的大小以及物体的质量（m）确定之后，那么，作用时间的长短，对客体的速度及变化，特别是对作用终结时的位移量，起着绝对的主导作用。因此，在能量主体对被作用客体的做功过程中，位移量是力的作用时间的函数及结果。

也即：F = ma， v = at，s=att

可见，在不同的作用时间点上（时刻），客体的速度是不同的，其动量mv是不同的，同时，不同作用时间和不同的速度，必然导致不同的最终的位移量。

4、能量做功的真正本质

由于经典力学以力的路程积累效应而定义功，且存在两个显然的认识偏差（一是矢量特性，二是组成要素），因而背离了能量做功的过程和方向性的本质特性，所以，必须予以纠正。

经典力学对能量的不同形式描写中，有动量特性（mv）及守恒定律。力的作用本质在于产生加速度，加速度的本质在于速度的变化率，是与时间有关的比较特性，而能量做功的本质正是在于改变了物体的速度，是力的时间积累效果：F△t=m△v，其中△v是力F作用了时间△t之际的速度变化量。因此，E=W=Ft=mat=ms/t=mv，并且，力是矢量，速度是矢量，力与时间之积应该是矢量，质量与速度之积（动量）应该是矢量。显然，v是末态速度，是力做功的末态时间过程所决定的末态速度，mv 是末态能量。力做功的过程写成物理公式则是：

Ft+mv0 = m△v+mv0 = mv

其中，t 是作用时间，F是作用力，m是被作用物体的质量，v0是被作用物体的初速度，△v是被作用物体的速度变化增量，v是被作用物体的最后综合速度（末速度）。

所以，力做功不仅具有时间积累过程的能量递增特性，更具有在每一时间片段里的确定的能量特性。力做功的时间积累效应（ Ft ），实际上正好与经典力学的动量（ mv ）所表现出来的能量特性实现完美无缺地统一与协调 （ Ft = mat = mv ），而且以动量的方式传递能量，并保持着能量的动量守恒规律。

可见，力做功的最终结果，是改变了物体的动量，是力的时间积累效应，其中位移仅仅是表象。

5、动能和势能都不做功

5.1  动能不做功

首先，经典力学对动能的描写是：Ek=mvv/2。当与经典力学的做功原理（w=Fs）进行比较，则有如下特点：

因为：w=Fs=mas=mss/tt=mvv

所以，经典力学的动能原理（Ek=mvv/2），与经典力学的力做功原理（w=Fs=mvv）不相等。因此，经典力学的动能（Ek=mvv/2）不做经典力学定义的“力与位移之积”的那种机械功。

其次，把动能（Ek=mvv/2）与我们现在认识并深刻揭示的“力的时间积累效果（w=mv）”的做功本质特性进行比较，不难看出动能（Ek=mvv/2）与机械功的真正本质动量（w=mv）也不相等。

可见，经典力学理论中的动能（Ek=mvv/2）实际上不做功，不能揭示能量的真正特性或本质。因此，经典力学的动能（Ek=mvv/2）原理纯属谬论。

5.2势能做功的本质

经典力学所描述的物体的势能，是物体在不同的高度所表现出来的能量特性，其产生的动力来自地球的引力作用，势能公式是：Ep=mgh=mvv/2。然而，势能的能量特性，虽然与高度差相关，但是，这个高度差并不能导致势能的释放或输出与转移。势能的真正释放体现在物体从一个高度下降至另一低一些的高度的过程中，产生的速度与质量的共同特性。高度差越大，物体获得的最终速度则越大，正如一个恒定的力推动一个质量一定的物体做直线运动一样，作用时间越长，最终获得的瞬时速度则越大。自由落体是恒定的重力作用效果(F=mg)，下落时间越久，则说明重力对其推动的作用时间越久，获得的瞬时速度越大，经历的高度差（路程）也就越长。可见，重力作用实际上是力的一种具体情况，必然遵守力的时间积累之作用规律。

此外，我们可以清晰明确地论证经典力学所述的势能无论如何也不做功。因为，经典力学对势能的描写是：

vv = 2gh 

h = gtt / 2

Ep=mgh=mvv/2

一方面，Ep=mgh=mvv/2与经典力学理论的做功原理w=Fs=mvv不相等。

另一方面，Ep=mgh=mvv/2与上述做功的动量本质原理（w=Ft=mv）比较，彼此也不相等。

因此，势能的大小与高度的关系，实际上是与下落时间的关系，特别是与下落的瞬时速度的关系（Ft=mgt=mv）。势能的能量特性，如同普通的碰撞一样，最终是以动量（mv）砸向地面，而决不是以势能（ Ep = mgh = mvv/2 ）或者是动能（ Ek = mvv/2 ）砸向地面。可见，动量（mv）才是自由落体运动的真正的能量本质，是重力的时间积累效应。

因此，经典力学的势能（ Ep = mgh）原理纯属谬论。

6、结论

通过上述的系统论证，经典力学的一些不完备性得到了补充，一些不切实际的认识偏差得以纠正，一些谬误得以澄清，一些理论得以发展。归纳起来，得到以下九个结论：

第一，一个实际的力不仅包含经典力学的“大小、方向、作用点”三大基本要素，而且还必须包含“作用的主体、被作用的客体、作用时间”另外三大要素，从而构成力之能量必不可少的六大要素。否则，仅仅有原来的三大要素将不能成之为力，更不能做功。

第二，力的时间积累（W=Ft=mv）效应，才是能量做功的真正本质。力做功不仅具有时间积累过程的能量递增特性，更具有在每一时间片段里的确定的能量特性。

第三，外力做功具方向性，是矢量。

第四，从力的时间积累效果出发，不难把经典力学对各种形式的能量的描述方式，完美无缺地统一于动量守恒定律。

第五，“动力做功是标量，做功是力与位移之积。”这不仅是经典力学长久以来的两大困惑，而且是两大谬误。

第六，经典力学的功的物理量纲（物理单位）焦尔，将被取消。由于功的真正本质是力的时间积累效应，因此，物理量纲是“牛顿秒”，随之，我们不妨把力与时间（Ft）的合成音“福太”作为功的基本量纲的读音。

第七，经典力学中的动能原理（Ek=mvv/2）之动能不做功，不揭示能量的自然特性，理论物理应当对经典力学中的动能原理进行删除。

第八，经典力学中的势能原理（Ep=mgh=mvv/2）之势能不做功，不揭示能量的自然特性，理论物理应当对经典力学中的势能原理进行删除。当然，自由落体的运动规律是正确的，自由落体的动量（mv）必然做功。

第九，整个物理学将从此清醒地认识到，能量的真正本质既不是动能（Ek=mvv/2）、也不是势能（Ep=mgh=mvv/2）、更不是质能关系式 E = mvv  (或者是E= mcc，当v=c 时) ，而是动量（P=mv ，即：E=W=Ft=mat=ms/t=mv），遵守能量守恒定律，是时时刻刻被实践证明着的。进一步地，如相对论所述的质能定理将被彻底否定。

正本清源，实事求是，经典力学将从此迈出新的步伐，揭开新的历史篇章，迎来新的时代。

7、后语

经典力学的功能原理，已经在经典力学理论体系上占据了近400年的历史。然而，由于其创立时代以焦尔为代表的物理学家们的认识角度、认识能力、思维方式的局限，甚至是偏见，导致了一些历史性的困惑以及对发展的束缚，使得理论物理几百年来的历程长久地难以迈开新的步伐。通过这个事例，人们不难再次看到：经典物理、现代物理都存在一个显然的学术特性——学术权威主导一切，权威统领一切；权威谬误，则整体偏差，长久偏差并难以回归。同时，物理学上的一些权威霸道学风对现代科学与技术的发展极其不利，这不仅仅是一个历史性的问题，也是一个现实问题，更是一个必须立即纠正的学风问题、学术问题。因此，沿着前人的道路，遵循自然规律、超越权威的束缚，是后现代物理学的新学风、新气象、新机遇、新动力、新天地。

揭示真理，科技必然推动新的时代。

超越过去，人类必然开拓新的未来。

时至今日，让人忧虑的是，在中国境内的学术探索与创新的氛围并非很理想。其中，思想僵化、墨守成规、视野狭窄、小心跋涉的现状仍在继续。因此，即使有超越时代的领先科技理论问世，可能也难以得到公正的、公平的待遇。同时，目前国内对前沿性科技理论成果的评审、发表、宣传的特权与谨慎，可能更是难以发现与推举出划时代的杰出篇章，这也是导致人才滚滚外流的一个不可否认的因素。应该说，开明的学风问题，创新的宽松环境，是目前中国科技领域里一个事关大局的现实问题，也是一个事关生存与发展、繁荣与强大的重要问题。

走出误区，世界更加美丽。

开拓未来，科技更加精彩。

                            2003年12月7日第二稿  于中国衡阳 

                             2004年3月12日 第三稿  于中国衡阳

                                   二○○四年三月十七日

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