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  • 1 # 傅渥成

    從推導的角度來看,根據胡克定律,F = kx,這是一個線性函式,做一次積分,就得到了彈性勢能的表示式 E = kx^2/2,得到一個二次函式,所以從推導的角度來看這是非常簡單的。

    不過,其實沒有必要把這種表示式看成是「推匯出來的」,因為胡克定律本身只是一個經驗定律,在經驗定律的基礎上做「推導」,最後還是得到經驗定律。與其如此,不如將他看成是一個很自然的約定。

    假如有一個很複雜的勢函式,我們總可以用泰勒公式,在某一點附近將它不斷展開,例如,下圖展示了將正弦函式展開到一階、三階、五階時的曲線圖像,可以看到,展開的階數越高,得到的函式就越接近原有的函式。

    那麼類似的,對於彈性勢能的表示式,我們不知道它具體的形式應該是怎樣的,但是我們還是可以對它來作展開,於是我們可以得到零階項,一階項,二階項……把所有的項加起來,那麼不管彈性勢能的表示式有多複雜,它就都應該是可以描述的。

    不過,仔細來想想看,彈性勢能的表示式裡,零階項是什麼意思呢?零階項其實就是零勢能點的選取,例如我可以選擇地面為零勢能點,也可以選擇高樓頂端為零勢能點。既然如此,所以零階項是不存在的。

    然後來看一階項,如果有一階項,就說明在零勢能點附近,系統沒有達到平衡,因為這個一階項會驅動例子朝著降低勢能的方向運動,對於彈簧這樣的例子,在沒有外力的情況下,它有一個平衡位置,所以這時候,它應該不存在一階項。

    沒有了零階項和一階項,剩下二階項,我們也就得到了彈性勢能的表示式,在這個表示式裡,二階項的係數就是彈性係數,如果考慮非線性的彈簧,那麼還可能會有一些更高階的項。

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