定义 重力做功与路径无关,只取决于初末位置的高度差,即 $W_G = mgh$。
从哪来 建立在“3.2 理解'功是能量转化的量度'”之上,将功的概念从单一力推广到保守力场中的能量转化关系。
为什么 重力方向竖直向下,位移分解为水平与竖直分量。水平分量与重力垂直,不做功;竖直分量做功之和仅由起点和终点的竖直高度差决定,中间路径如何弯曲不影响总功。
讲法
适合:形象思维强、喜欢直观演示的学生
用“爬山”类比:无论走直线台阶还是绕远路,只要从山脚到山顶,重力做的负功(或人克服重力做的正功)只取决于海拔差。展示不同路径的位移矢量分解图,强调水平位移对重力做功无贡献。
讲法
适合:逻辑推理强、偏好数学推导的学生
从功的定义 $W = \vec{F} \cdot \vec{s}$ 出发,将任意曲线路径微元化,证明 $\int \vec{F}_g \cdot d\vec{r}$ 仅依赖端点坐标。通过微积分思想(或离散求和极限)严格推导 $W_G = mg(h_1 - h_2)$,强调路径无关性的数学本质。
讲法
适合:实验探究型、喜欢动手验证的学生
设计实验:用弹簧测力计匀速拉动重物沿不同斜面或曲线轨道移动相同高度,记录拉力做功与重力做功的关系。对比数据发现:尽管拉力做功不同,但重力做功始终等于 $mgh$,从而归纳出路径无关性。