摘要　在经典力学中，用力推车，车未动，认为力没有做功。本文认为力是做功的，并导出计算公式W=CF^2*t,它是力的热效应Q=W=CF^2*t,为永磁体的磁能开发提供了理论依据，并且能够解释一些物理现象。

　　关键词　经典力学，保势功，力的热效应，磁能加热器

在物理学中，一种物理现象始终困绕着我们。例如：人推车，车未动；举重运动员将杠铃举在空中静止的时间里。尽管人们在用力的过程中，不断地消耗着体能，但由于在力的方向上没有移动距离，物理学就不承认做了功，为什么会出现这种“出力不讨好”的现象呢？经过长期思考和研究，发现在经典物理学中在做功与不做功之间明显缺少了一个重要环节。不用力肯定是不做功的，但是用了力，如上述两种情况，力还不做功，用力与不用力根本没有区别，这就是物理学在理论上所存在的严重不足之处，原来机械功（W=FS）还实际存在着一种微观振动形式叫做保势功（W=CF²t）.

　　一、用等效的方法来认识一下保势功的存在和大小

　　从力的作用效果来看，一切物体受力时，都要发生形变，那么，物体形变的势能与功有什么样的关系呢？

　　以理想的轻质弹簧为例，在力F的作用下，将弹簧伸长X，在弹簧伸长的过程中，力F（F=KX）是不断增大的，此过程力是做机械功的，当力F不变时，弹簧的伸长X也不变，弹簧所具有的弹性势能E=1/2KX²也不变，此时力F就不具备做机械功的条件，所以，力F没有做机械功。但是，从能量转化角度，F如果是人施加的，人体消耗的体能不通过做功的方式将如何转化呢？这就是人们长期困惑的地方。为此我提出了一个假设，用等效的方法证明了在力F不变时，虽然在力F的方向上没有移动距离，但是，力F是做功的，并推导出它的计算公式。

　　当力F的大小不变，或者说力F不做机械功时，如果将作用在弹簧上的力F撤去，那么，弹簧的弹性势能就会减小，并且在一定的时间内减小为零。问题是怎样才能让弹簧的弹性势能不减小？或者说怎样才能让弹簧的弹性势能保持原来的大小不变？只有通过外力不断地对弹簧做机械功，也就是说弹簧弹性势能减小多少，外力同时对弹簧做多少机械功，即W=△E。而力F作用在弹簧上就能让弹簧的弹性势能不减小，并且保持不变，力F虽然没有做机械功，但它能达到外力做机械功的同样效果，这也进一步证明了力F是做功的，做了一种与机械功不同形式的功。因为力F做此功的目的，就是保持弹簧弹性势能不变的，故将此功暂时命名为保势功。

　　设力F撤去后，弹簧弹性势能减小为零时，所有的时间为t_o（t_o也就是弹簧恢复到原长的时间），那么，E/t_o就表示力撤去后，弹簧在单位时间内弹性势能的减小量，根据上述等效的方法，力F在单位时间内所做的保势功的大小也就等于E/t_o,那么，力F在t时间内对弹簧所做的保势功W=E/t_o·t，令：E/t_o＝P,P可以认为是保势功率，则：W=Pt .

　　由F＝kX,E=1/2Kx²变形代入P＝E/t_o,可得：P＝1/<2kt_o>·F2关系式，令：C=1/<2kt_o>，则P＝CF²,W= CF²t 。W＝CF²t就是保势功的计算公式。

　　关于C＝1/<2kt_o>值问题，k与t_o虽然与物体形变、材料等因素有关，而用弹簧来等效，只是研究问题的方法和手段，从实际情况和力的作用效果看，一个大小不变的力，不管作用在哪个物体上，所消耗的能量只与时间有关，与物体的材料和形变毫无关系,但是，对每个受力体发生形变时，K和t₀都是客观存在的，所以，C是客观存在的，并且是一个常数。人推车，车未动，人虽然没有做机械功，但是做了保势功，其大小与力的平方成正比，与用力的时间成正比，不可能是W=CFt的形式，这样C值再小，代表的都是速度。

　　二、C值的测定方法

　　要正确理解和掌握C值的测定方法，必须摆脱“磁电阻”理论的束缚。

　　通电导体或者线圈放入磁场中（静止状态）和不放入磁场中，两种情况下，消耗的电功率（或者电能）是明显不同的，前者消耗的电功率要大。由于人们没有认识到保势功的存在，物理中为了解释这一现象，引入了“磁电阻”的概念，以此来解释导体施力多耗能的问题。

　　当我们认识了保势功以后，我们会发现“磁电阻”概念的引入是没有办法的办法。

　　通电导体放入磁场中静止时，为什么会多耗能呢？原因是磁场对导体产生力的作用，反过来导体对磁场有反作用力，是这种反作用力，通过做保势功的形式，增加了电能的消耗。

　　C值测定方法一：用电磁铁吸引铁片的方法来测定。原理是在电磁铁不吸引铁片的情况下，调节滑动变阻器，用电压表和电流表（外接）测出线圈两端的电压为U1和线圈中的电流I1,然后用电磁铁吸引铁片（铁片下粘一挂钩），读出此时，电压表和电流表的读数分别为U₂和I₂,用弹簧测力计（或钩码），测出电磁铁对铁片的最大吸引力F<包括铁片的重力>。由能量守恒知：U₂I₂t-U₁I₁t=CF²t,C=（U₂I₂-U₁I₁）/F² ,多次测量取平均值.

　　此方法在中学物理实验室中我测过，由于电流表的量程和滑动变阻器允许通过的电流值的限制，电磁铁的磁性太弱，一块薄铁片都吸不住，所以，C值没能测出来，但有一种现象可以告诉大家，电磁铁在吸引铁片时，电流表指针是不动的，即I2=I1,说明两种情况下，电流热效应损耗的电功率是相同的，电压表的指针有摆动，但读不出电压的变化量。我认为用工业上的电磁起重机上的电磁铁一定可以精确地测出C值来。

　　C值测定方法二：原理是将线圈通入直流电，测出线圈两端的电压U1和线圈中电流I1,然后放入匀强磁场中，线圈处于静止状态，再测出此时，线圈两端电压U2和线圈中电流I2，则：U₂I₂-U₁I₁＝CF²，C=（U₂I₂-U₁I₁）/F².而F＝BI₂L，B为磁场强度，L为线圈的总长度50米或者100米，与力的方向无关。I₂与I₁也应该是相等的，原因是线圈的欧姆电阻并没有改变，这有待于物理界认可了保势功以后，C值的测定才有意义。

　　根据对世界级举重运动员举重过程中来看，由P＝CF²来估算〈输出功率1KW，举力1千牛〉，C值在10-3米/（牛·秒）左右。

　　三、怎样正确认识保势功

　　1、正确理解力做保势功的条件和定义

　　力做保势功的条件是力的大小不随着时间的变化而变化，力就一定要做保势功，它的大小用W=CF2t来计算。如果力的大小随着时间的变化而变化，那就是机械功和保势功的积分问题。

　　保势功是因为力的作用，使物体发生形变而引起的，为了保持物体的形变势能不变时，力不得不做的一种功，它是机械功的一种微观振动形式，放大了来看,就像势均力敌的拔河比赛,每一个人都在来回不停地做机械功，消耗着能量，而机械功对此束手无策无法来度量。故保势功的定义是力在保持物体形变势能不变时所做的一种微观机械功。形变势能包括弹性势能和非弹性势能。

　　2、认清力做保势功的实质 力的热效应

　　人推车、车未动,人消耗的能量哪里去了？一定转化为物体的内能〈冒汗〉，以热的形式散失出去，所以力做保势功的过程实质就是将其它形式的能转化为内能的过程，这种现象也可以称之为力的一种热效应， 即:Q=W=CF²t,而保势功率P=CF²也可称之为力的发热功率。

　　在一些机械中，人们很难发现这种力的热效应的存在，原因是被周围热传递所掩盖，在电动机和发电机中被电流的热效应所掩盖。

　　例如：当电动机负荷太大，而无法转动时，如果不立即断电就很快被烧坏，为什么呢？由于人们只知道电流的热效应，就认为是电流增大，热量增多的原因，即：UIt=I2Rt+I2rt,<r为磁电阻〉，其实，当电动机不转时，电流增大，线圈受到磁场力也增大，线圈对磁场的反作用力也同样增大，这种反作用力的热效应，将原先电能转化为机械能的一部分能量，通过保势功的形式转化成了热，所以，电动机不转时，被烧的原因，是电流热效应和力的热效应两者共同作用的结果,即:UIt=I₂Rt+CF²t，两者所占比例如何，我相信当人们认识了保势功以后，工程技术人员会计算出来的。

　　3、保势功是影响机械效率提高的另一个因素

　　力做机械功的同时也一定要做保势功，保势功的大小对物体的机械能没有影响，但是它耗能影响着机械效率的提高，保势功没有正功和负功之分。

　　例如：用大小不变的力F匀速提升铁块，上升高度为S，上升的时间为t,则力F就要做两个功，一是机械功W=FS，另一个是保势功W=Q=CF²t〈发热〉,保势功是力做机械功时无法避免的，当有用功相同时，上升的时间越长，所做的保势功就越多，人或者机械消耗的能量就会越多，机械效率就会越低，理论和实际是相符的，这是原来物理学无法解释的，在一般情况下，由于C值较小，力在做机械功时，保势功是可以忽略的，但理论上要认清这一点。在电动机转动过程中，也能体现出力做保势功的问题，人们研究发现，在电动机转动过程中，所消耗的电能转化成了三部分：一是电流热效应；二是机械能，由功能原理知，机械能用机械功来表示；三是“有功电阻”消耗的能量，即UIt＝I₂Rt＋FS＋I₂rt(r为有功电阻)，“有功电阻”和“磁电阻”没有本质的区别，都是用于解释导体施力耗能的问题.〈两种电阻我认为都是虚的〉

　　在我看来，电动机转动过程中能量转化为：UIt＝I₂Rt＋FS＋CF²t,摩擦阻力和感应阻力所消耗的能量，只是消耗机械能中的一部分而已。即使将来利用超导体做线圈，不计摩擦等阻力，机械效率也不能达到百分之百，即：UIt=FS+CF2t.

　　4、保守力〈主动力〉做功问题

　　物理学中，要讲解功能原理之前，必须要介绍保守力的概念，保守力做机械功，不管是正功还是负功都不影响物体的机械能的改变，也就是说保守力做机械功时，是不需要耗能，也不存在着能量的转化问题，但是，保守力做保势功时要耗能，所消耗的能量转化成了热。例如：太阳与地球间的万有引力是相等的，根据W= CF²t可以近似计算出一天时间内太阳和地球由于万有引力二者消耗了多少能量,〈物质是能量的源泉，力是能量转化的根本原因〉,有力的地方，就有保势功的存在，所以，保势功在力学系统中是普遍存在的,是天体间能量转化的另一种方式。天体越大内部温度为什么会越高？地球上为什么会经常发生地震、火山喷发？我认为用力的热效应来解释是非常合适的，天体自身就是一个力的加热器，地球自身就像自动加热的烧水壶，火山喷发犹如壶嘴冒气，强烈地震犹如壶盖的振动，是内能蓄积到一定程度的结果，在地震观测点上，如果增加对地壳温度和压强变化的精确测量，再加上原来的一些参数和现象的综合分析，我认为强烈地震是可以逐步得到预报的。〈汶川大地震告诉我们，人类掌握的地震参数还远远不够〉 5、弹性力〈被动力〉做保势功的问题 把一根弹性强度很大的弹簧，压缩在一个容器中，弹簧与容器间的弹力都很大，由P=CF² 可知，力的发热功率很大，那么，容器中是不是有源源不断的热量放出来？回答是否定的，容器在放热时，如果外界没有能量来补充，内能会减少，弹力也会减小，要保持弹力大小不变，容器所放出的热量与从外界吸收的热量要相同，所以，弹力做保势功的过程与外界能量是一个循环的过程，利用省力机械虽然可以获得较大的力〈弹力〉，都不可能起着能量放大器的作用，被动力是可以放大的，但主动力是不可以放大的。

　　四、保势功的应用 磁能加热器

　　1、对磁的再认识

　　人类自从认识磁现象以来，到如今磁在生产、生活中的广泛应用，不碍乎都是利用了磁的一种能 磁能。在物理学中，“电生磁”的现象，可以理解为电能转化为磁能是没有问题的，但将电磁感应现象用“磁生电”来说是很不合适的，机械能转化为电能离不开磁场的作用。磁场越强，机械能转化为电能的效率就会越高，但磁能并没有转化为电能。就像人走路一样，走路的过程是人的体能转化为机械能的过程，这种能量转化离不开地面的摩擦，人运动的机械能并不是地面或者地面摩擦生出来的。

　　人类在探索“磁生电”之初，就是希望用磁铁的磁能转化为电能，但最终没有成功.

　　实际上，磁化过程就是磁能转化为电能的过程，由于人类制造不出原子大小的线圈，所以这种电能无法引出来，被人类来利用，〈原子电流是不是一种超导现象？〉。磁能可以不可以转化为机械能呢？也不可以，在电动机中，电能转化为机械能的过程中，也同样离不开磁场的作用，磁能也没有转化为机械能，原因是静磁场力是一种保守力，也就是说利用永磁铁的磁场无法将磁能转化为机械能。根据保势功理论，永磁铁的磁能在电动机和发电机中，磁能一定转化成了热，是通过磁场力对线圈做保势功的方式来转化的。〈虽然有许多磁电机、磁动机的发明，我认为都很难实现〉

　　2、磁能源的开发将可能成为现实。

　　由于人类在探索磁能的开发过程中，无法实现能量的转化，对永磁铁的磁是不是一种能，避而不谈。永磁铁的磁能，不能转化为电能也不能转化为机械能，那么，能不能转化为热能供人类来利用呢？我认为是可能的，这就是保势功理论为永磁铁的磁能源的开发提供了理论依据。

　　电磁铁吸引铁块消耗电能，永磁铁吸引铁块一定消耗磁能，它们消耗的能量哪里去了，一定产生了热。

　　P=CF2就是反映力的热效应的发热功率，与力的平方成正比，当两块永磁铁吸在（或者排斥）一起，两极间力的发热功率P=2CF2，两极间的支持力〈弹力〉对发热不起作用。这种力的热效应要能表现出来，也和电流热效应一样，热量必须集中，热功率必须很大才能展示在人们的面前。

　　要提高磁极间发热功率，就是要增大磁极间的作用力，力的大小是由磁铁的磁性强弱和受力面积两个因素决定的，纳米磁铁已具备或者接近发热的磁性要求，只要将磁铁制成薄片状吸在一起，就可大大增加磁极间的作用力，这需要人们去研究去实验，只要发现由微热产生就意味着成功。磁能的优点是显而易见的，安全环保，取之不尽，用之不竭，可以通过“浓缩”、“合成”、“磁化”等方法获得。

　　将许多磁铁片吸在一起，就可构成了磁能加热条或者环，由条或者环组合在一起，就构成了磁能加热器，只要温度不太高，居里点（磁性消失的温度）以下，它的磁性是不会消失的，就可供人类生活、生产加热和发电来利用。

　　3、磁能的开发将是现代物理学主攻方向之一

　　一个电磁铁与一个永磁铁相比，要长期保持相同的磁性，电磁铁要消耗多少能量呢？永磁铁的磁能或者电能来至哪里呢？从磁的生成机制来看，铁必须与氧、碳等物质组合或者作用才能表现出磁性，这样作用遵循着什么样的规律？怎样组合才是最佳组合？等等问题，我认为都是一个谜，有待现代物理学去研究。永磁铁的磁似乎是“永恒”的，即使消失了，磁化一下又来了，当磁能加热器的温度达到100℃、200℃……的时候，人类还需要为能源的短缺而发愁吗？

　　参考文献:<<物理学词典>> 安徽教育出版社 1988 Email:chenjun621029@163.com 13485751896

　　附：自我评论

　　W=CF²t的导出，昭示着人们，经典物理学并不是想象的很完美，有人认为这会动摇了经典力学的根基，我认为不是动摇，而是在加固。它与W=UIt,Q=I₂Rt,Q=qm,Q=cm<t-t₀>等能量公式没有什么不同，它们反映了一个共同的本质问题-----力是能量转化的根本原因。没有力的作用任何形式的能量都将无法转化〈转移〉，都可以用W=FS来解释，只是在度量的形式上不同而已。当我们认识了本质以后，W=CF2t完全可以从功的范畴中脱离出来，以力的热效应的形式Q=CF²t〈chenjun定律〉面对世人，例如：人推车，车未动，物理学将如何解释？人没有做功，而用力产生了热。在经典物理学中将会也一定会有中国人的一席之地。