4答《对一道物理竞赛题的两种互异解答的探讨》.doc

答《对一道物理竞赛题的两种互异解答的探讨》

摘要：说明了论文《对一道物理竞赛题的两种互异解答的探讨》错误。

关键词：物理竞赛试题；弹簧振子；动能；势能；机械能守恒.

中图分类号：O 313.1 文献标识码：A

《物理通报》2015年第7期发表了辽宁省凌源市职教中心郑金先生评论我们的论文《对一道中学生物理竞赛试题答案的商榷》^[1]的稿件《对一道物理竞赛题的两种互异解答的探讨》（简称为郑文）．郑文中评论的解法2就是我们的论文《对一道中学生物理竞赛试题答案的商榷》中的方法，所以我们仅回应郑文对解法2的评论如下：

1)郑文说的【关系式不是弹簧的弹性势能，而是由弹簧、小球和墙壁所组成系统的弹性势能】无法让人们认定是正确的。事实上，这句话的后半句是错误的，理由如下：我们的论文中的关系式=kA²cos² (ωt)-mωuAsin (ωt)的确【不是弹簧的弹性势能】，但也不是【由弹簧、小球和墙壁所组成系统的弹性势能】．而是由弹簧和小球组成的小车系中的弹簧振子体系的弹力势能。它是据小车系中的势能定理的微分式                                                                           =-(t)(即保守力弹力对小球做的功等于小球的弹力势能的减少量)用微积分运算推导出来的：小车系中小球受的弹力为=f=-kx=保守力．是小车系中小球的位置的微分变化量或弹簧的微分形变量。据功的定义，-是小车系中小球受到的保守力弹力对小球做的微分功的负值。是小车系中小球的弹力势能[也是弹簧振子体系的弹力势能，其理由见后边的3)中⑤]的微分增量，故=-也是小车系中的小球或弹簧振子体系的势能定理。=-为什么正确？力学相对性原理告诉我们：一切力学定律在所有的惯性系中都有相同的形式。小车系也是所谓的惯性系，所以小车系中的势能定理=-就正确了，所以我们用该定义推导出来的关系式(t) =kA²cos²(ωt)-mωuAsin(ωt)也就正确了。这也说明了郑文说的【对于解法2，把视为由弹簧和小球组成系统的弹性势能是不确切的】这句话错误。有些力学教材给出的弹性势能的定义——由于弹性形变而具有的势能叫弹性势能，此时必须考虑弹性体的动能，否则会造成矛盾^[2]。

2)郑文说：【由于在运动参考系中，弹簧对小球的弹力不是保守力，所以小球对弹簧所做的功不是二体系统的弹性势能。再者，弹簧的弹性势能只与自身的形变量有关，不应随参考系而变

化，即为E_p (t) =kA²cos²ωt。】

郑文说的【由于在运动参考系中，弹簧对小球的弹力不是保

守力】无法让人们认定是正确的。事实上，这句话也是错误的，理由为：因为力是伽利略变换的不变量，在地面系弹力是保守力，在小车系弹力也是保守力^[3]，故郑文说【弹簧对小球的弹力不是保守力】就错了。

郑文从开头起的第2段中说：【【题目】一质量为m的小球与一劲度系数为k的弹簧相连组成一体系，置于光滑水平桌面上，弹簧的另一端与固定墙面相连，小球做一维自由振动。试问：在一沿此弹簧长度方向以速度u做匀速运动的参考系里观察，此体系的机械能是否守恒，并说明理由．】根据大家讨论的这道物理竞赛题中的论述，该题是求弹簧振子体系的弹力势能，不是求二体系统的弹性势能，所以郑文说的【小球对弹簧所做的功不是二体系统的弹性势能】与大家讨论的这道物理竞赛题无关。

3)郑文说：【由伽利略变换及不变性可知=-ut=-ut

f == f_墙 =_墙 = -k(-)

墙壁和小球对弹簧的弹力所做的总功为

=_墙d(-) -=-

即弹性势能的增量为p_弹=-d(-)

所以弹簧的弹性势能为p_弹=k(-)²=kx²

这表明，弹簧所受的一对弹力在恒速参考系中是保守力，做功的

多少与路径无关，只与弹簧两端点的位置有关。

由p_弹=-d(-)可知p_弹≠-且有等式

-=p_弹-

这表明，由弹簧、小球和墙壁所组成系统的弹性势能等于弹簧的弹性势能与弹簧对墙壁所做的功之和。】

对于郑文说的这段话（记做A），我谈6条意见如下：

①郑文的公式=-ut=-ut中的是什么？郑文没有说明。因此郑文的公式=-ut=-ut是否正确？人们就不知道了。人们不知道是否正确的公式是无法证明我们的论文错误的。

我们推理：因为郑文的公式=-ut=-ut中的=0，且据符号的约定，是小球在地面系中的原点处的坐标，所以，据符号的约定，应是小球在小车系中的原点处的坐标。如果真是这样，那么也应有=0，所以郑文得出=-ut=-ut就错了。

②郑文说的这段话A与朱如曾先生在《物理通报》2015年第4期上发表的论文《弹簧振子相对于运动惯性系的机械能不守恒——关于<对一道中学生物理竞赛试题答案的商榷>的商榷》（简称为朱文）中的一段话雷同．朱文中已经说清是地面系中的坐标原点于t时刻在小车系中的坐标（注意：的右下标是o而非0），所以=-ut=0-ut=-ut．我们已说明是小球于 t时刻在地面系中的位置在小车系中的坐标，故=x-ut．所以-=x-ut-(-ut)=x．如果郑文的就是朱文的的话，那么郑文说的【即弹性势能的增量为

p_弹=-d(-)[=-f×dx=dE_p弹]，

所以弹簧的弹性势能为p_弹=k(-)²=kx² [=E_p弹]】

就错了。正确的是：弹簧和小球组成的弹簧振子体系的弹力势能为

p_弹=-=-f×d(x-ut)=kx×dx-mωuAcos(ωt)d(ωt)，

p_弹=kx²-mωuAsin (ωt)≠kx²=E_p弹。

现说明理由如下：p_弹≠Ep_弹是显然的，因为在地面系和小车系中弹力对小球做的功不同，做功的负值也不同，据势能定理知，小球或弹簧振子体系的弹力势能也不同，即p_弹≠E_p弹．所以郑文和朱文算出的p_弹=E_p弹是错误的。再说，直接用x计算就是了，何必利用-或-去计算呢？

③郑文说的【 f == f_墙 =_墙 = -k(-)】及【墙壁和小球对弹簧的弹力（该二力同时施与弹簧）所做的总功为

=_墙d(-) -=-

即弹性势能的增量为p_弹=-d(-)

所以弹簧的弹性势能为p_弹=k(-)²=kx²】

这段话是错误的，理由为：首先，小球拉弹簧的力和墙壁拉弹

簧的力_墙虽然大小相等但是方向相反，故f==-f_墙=-_墙才正确．所以郑文说【f == f_墙 =_墙】就错了。再者，既然_墙和大小相等，那么在_墙和同时向左右拉弹簧时，各自造成弹簧的形变量必相等，即必有d(-)=。所以郑文和朱文的d(-)=≠就错了．所以郑文和朱文得出的：【=_墙d(-) -=-以及p_弹=-d(-)，p_弹=k(-)²=kx²】也就都错了。这也证明了郑文和朱文在上述②中的p_弹=Ep_弹错误。

④郑文在前边说：【在运动参考系中，弹簧对小球的弹力不是

保守力】，在后边又说：【弹簧所受的一对弹力在恒速参考系中是保守力】，这两句话是否相矛盾？

⑤从郑文的第2段中说到的【题目】里知道，大家讨论的那道物理竞赛题是求弹簧和小球或振子组成的弹簧振子体系的机械能是否守恒，不是求不包含小球或振子在内的弹簧的势能是否守恒．但是郑文却说：【在墙壁和小球对弹簧的弹力所做的总功为

=_墙d(-) -=-】。

所以，郑文只求【墙壁和小球对弹簧的弹力所做的总功】、即只求弹簧的势能而不求包括小球或振子在内的弹簧振子体系的势能就不合题意了，就答非所问了，因此也就错误了。

再说，凡是力移动物体做功时，物体必须视为质点，故必须有质量。在研究弹簧振子的机械能时，把弹簧视为质量为0的轻质弹簧且不能视为质点已经成为常识，我们的论文中也做了专门的说明，因此就不能再说对弹簧做功了，所以郑文又说【墙壁和小球对弹簧的弹力所做的总功】就错了。

因为忽略了弹簧的质量，所以弹簧振子系统就只剩下小球或振子这一个质点了．因此研究弹簧振子系统的机械能只能研究质点小球或振子的动能和势能、而不能再研究弹簧的动能和势能了。事实上，弹簧振子系统的弹力势能也就是质点小球或振子的弹力势能。例如文献[4]在第164页上说：“这个质点在弹力作用下相对于平衡位置具有转换成其他运动形态的一定‘能力’，称为质点在弹力作用下相对于平衡位置的弹性势能，以E_p表示：

E_p=kx²．             (1.5.19)”

上述这段分析也说明郑文不求小球或振子或者弹簧振子体系的势

能、只求不包括小球或振子在内的弹簧的势能就不合题意了，就答非所问了，因此也就错误了。

⑥人们从郑文的第2段说到的【题目】和上述⑤里的分析中已经知道，大家讨论的那道物理竞赛题是求弹簧振子系统或小球的机械能。可是郑文却说：【由p_弹=-d(-)可知

p_弹≠-

且有等式

-=p_弹-

这表明由弹簧、小球和墙壁所组成系统的弹性势能等于弹簧的弹性势能与弹簧对墙壁所做的功之和。】

这说明郑文认为：由弹簧、小球和墙壁所组成系统的弹性势

能是-=p_弹（弹簧的弹性势能）-（弹簧对墙壁所做的功），而大家讨论的那道物理竞赛题要求求弹簧、小

球组成的系统——弹簧振子系统或小球的势能。因此郑文所求的势能不合题意，答非所问，因此错误。其错误就是把弹簧对墙壁所做的功(-)强行拉进弹簧振子系统或小球的势能中了，纠正郑文的错误后弹簧振子系统或小球的势能就成为

-=p_弹或p_弹=-，

因此也就正确了，同时也与我们的论文中的答案相同了。

4)郑文说：【当弹簧处于拉伸状态时，受到墙壁的作用力方向向左，而弹簧的固定端点在匀速运动的参考系中运动方向向左，因此做正功，由于相对于地面的速度大小为v=ωAsin(ωt)，利用“借物传功”的结论可知墙壁作用力对小球间接做的功为

W=muv=muωAsin(ωt)（W违反符号约定，应为）

也可视为墙壁对弹簧所做的功，那么弹簧弹力对墙壁所做的功为

=-muωAsin(ωt) （违反符号约定，应为-）

由于墙壁的动能保持不变，所以由弹簧、小球和墙壁组成系统的机械能始终守恒。原题中的由弹簧和小球组成系统的机械能应为

(t) =(t)+(t)=k+mωuAsin(ωt)+m

=k+mωuv+m

由于在式中含有速度v不是常数，因此在运动参考系中由弹簧和小球组成系统的机械能不守恒。】

对于郑文说的这段话，我谈4条意见如下：

①郑文说的【由于相对于地面的速度大小为v=ωAsin(ωt)】是错误的。理由为：任何速度的大小都恒为正，sin(ωt)有正有负而不恒为正，所以郑文错误。事实上，速度v是小球相对于地面系的振动速度，不论在什么情况下，都有v=-ωAsin(ωt)，我们的论文中已有证明：v==-ωAsin(ωt)：v的大小为|v|=|ωAsin(ωt)|。

由于郑文的这条错误，使得郑文在这段中的公式

W=muv=muωAsin(ωt) （W违反符号约定，应为）

出现了错误，错误为muv，正确的应为-muv。也使得公式

(t) =(t)+(t)=

k+mωuAsin(ωt)+m=k+mωuv+m

出现了错误，错误为+mωuv，正确的应为-muv。

②郑文说的【利用“借物传功”的结论可知墙壁作用力对小球间接做的功为W=muv=muωAsin(ωt)】错误，理由为：功是力与质点位移的数量积，在这里弹簧没有质量，无法对其做功。

郑文可能说：【在小车系中观察，弹簧的固定端点C有位移量-udt，受到的墙壁力_墙= f，故墙壁力通过固定端点C在位移量-udt上对小球做微分功dW=f×(-udt)=-f udt=kuAcos(ωt)dt，所以W=muωAsin(ωt)=muv。】考虑做功必须考虑弹簧质量，此时外力同时改变系统的动能和势能，但是不改变机械能。^[5]

③郑文说的【原题中的由弹簧和小球组成系统的机械能应为

(t) =(t)+(t)=

k+mωuAsin(ωt)+m=k+mωuv+m】

只是喊了一句口号，没有说明理由，所以无法让人们认定是正确

的。事实上，这句话也是错误的，理由为：原题中的由弹簧和小球组成的系统叫做弹簧振子体系，我们在3)中⑤里已经说明弹簧振子体系的机械能就是小球的机械能，所以题中的由弹簧和小球组成的系统的机械能(t)只应为弹簧弹力对小球做功而产生的势能(t)和小球的动能(t)之和，不包括弹簧弹力对墙壁做功=-muωAsin(ωt)而产生的势能_墙势=muωAsin(ωt)，郑文把_墙势=muωAsin(ωt)强行拉进弹簧振子体系或小球的机械能后的(t) =(t)+(t) =kA²+mωuAsin(ωt)+mu²就错了。清除_墙势=muωAsin(ωt)后的(t)=kA²+mu²才正确。

在小车系测量，设墙壁和地球的总质量为M，则因为墙壁的

速度为-u而使得墙壁的动能为_墙动=M(-u)²=Mu²，可见墙壁的动能是非常大的。既然郑文已把_墙势拉进了弹簧振子体系的机械能中，那么也应该把_墙动拉进弹簧振子体系的机械能中。事实上郑文未将_墙动拉进弹簧振子体系的机械能中肯定是因为郑文也认为将_墙动拉进弹簧振子体系的机械能中错误，那么同理，把_墙势拉进弹簧振子体系的机械能中也错误。

④郑文说：【一般来说，机械能守恒是指整个过程中的各个时刻对应的机械能总量始终保持不变，如果将某一过程中只有两个时刻对应的机械能总量相等也称为机械能守恒，那么该题还有其他解法，现探讨如下。】

郑文说的【机械能守恒是指整个过程中的各个时刻对应的机械能总量始终保持不变】这句话很正确，但是郑文说的【如果将某一过程中只有两个时刻对应的机械能总量相等也称为机械能守恒】就错了。因为第3，4，…，n，…+个时刻对应的机械能总量不相等时机械能就不守恒了。事实上，只要有两个时刻对应的机械能总量不相等机械能也就不守恒了，所以郑文说的【那么该题还有其他解法，现探讨如下】中的其他解法就肯定错误了。在弹簧振子问题中，是一个完整、理想、双侧束的质点，约束力不改变质点的机械能；考虑弹簧质量，是具有完整、理想、双侧束的质点系，约束力也不改变系统的机械能。

参考文献：

[1]李学生，师教民．对一道中学生物理竞赛试题答案的商榷[J]．物理通报，2014，9：119120．

[2]李学生.正确理解弹性势能的概念.中国科技纵横，总第332期，2020年04（下）：237～238.

[3]李学生.力的保守性具有伽利略变换的不变性.魅力中国，2020年9月：318～319.

[4]梁绍荣，刘昌年，盛正华.第一分册：力学力学[M].北京：高等教育出版社，1987：164．

[5]李学生.匀速圆周运动中的机械能守恒问题.论证与研究，2020年第8期：9. http://www.chinaqking.com/yc/2020/2549290.html

[6]张景春，韩淑梅．浅析物体系的势能[J]．辽宁大学学报 自然科学版，1989，4：3334．

[7]王立，张成华．机械能守恒定律具有伽利略变换不变性[J]．吉林师范大学学报 自然科学版，2004，3：9596．

[8]刘一贯．关于机械能守恒定律的协变性[J]．华南师范大学学报（自然科学版），1985，1：155157．

[9]袁芳，朱炯明.功、动能和机械能[J].物理教学，2012，9：7．

[10]李卫平，罗洁．注意力的保守性与参照系的关系[J]．中学物理，2013，3：42．

An Answer to the discuss on two kinds of mutual difference solutions of a physics contest question

Abstract：Illustrate that the discuss on two kinds of mutual difference solutions of a physics contest question is wrong.

Key words：the physics contest question；a spring oscillator；kinetic energy；potential energy；conservation of mechanical energy