功是度量能量转换的基本物理量,它描写了力对空间的积累效应。单位为J
(焦耳)。空间某点的势能Ep在数值上等于质点从该点移动到势能零点时保守力作的功。
第 3 章 机械能和功 一、功 功是度量能量转换的基本物理量,它描写了力对空间的积累效应。单位为J (焦耳)。 变力的功: 恒力的功: §3.1 功 质点动能定理 直角坐标系: 自然坐标系: W与参考系有关。 1. 一般情况下,功与力和路程有关 说明 [S] [S] W与参考系有关。 一辆汽车在水平道路上以 速度沿直线匀速行驶, 汽车内水平地板上有一只盒子,乘客用水平推力 推着盒子相对地板以 速度向前移动,求在 t 时间内人做的功 小车坐标系[S’] 地面坐标系[S] 力与盒子相对于汽车的位移的点乘 力与盒子相对于地面的位移的点乘 4. 平均功率 瞬时功率 单位 W(瓦特)=J/s 3. 合力的功等于各分力的功的代数和。 解: 变力 恒力 曲线运动 [例3-1] 小球在水平变力 作用下缓慢移动,即在所有位置上均近似处于力平衡状态,直到绳子与竖直方向成 角。 求:(1) 的功, (2) 重力的功。 m l 二、质点的动能定理 设质点m在力的作用下沿曲线从a点移动到b点 总功: b a 元功: 切线方向的分力 质点的动能定理: 合外力对质点所做的功等于质点动能的增量。 说明 3. 应用: 1. 合外力的功是动能变化的量度。 与参考系有关,动能定理只在惯性系中成立。 2. 4. 微分形式: [例3-2] 质量 m 长 l 的均匀链条,一部分放在光滑桌面上, 另一部分从桌面边缘下垂, 下垂部分长 b ,假定开始时链条静止,求链条全部离开桌面瞬间的速度。 [解法一] 建立如图坐标系Ox,设x为某时刻下垂链条长度。由动能定理 x O dx 设T为链条下垂部分和在桌面上的链条部分间的相互作用力,由牛顿定律得 a [解法二] a [解法三] 也可由机械能守恒定律计算。 b O l-b L x o L s x 传送机滑道 水平平台 [例3-3] 一根均匀的柔软的物体(长度为L)以初速v0 送上平台,物体前端在平台上滑行 s 距离后停止。设滑道上无摩擦,物体与台面间的摩擦系数为μ ,且 s >L,求初速度v0 。 解: 由动能定理: [例3-4] 有三个相同的物体分别沿斜面、凸面和凹面滑下。三面的高度和水平距离都相同,为 h 和 l ,与物体的摩擦系数均为μ。 试分析哪个面上的物体滑到地面时速度最大? (1) 解: (1) (2) (3) 元功 N mg (2) (3) 最大 (1) (1) (2) (3) END N mg 最小 N mg N mg (3) 在自然坐标系中: N mg 它由与瞬间速度矢相切的t轴和垂直于速度矢指向曲线的凹侧的n轴构成 一、力场 x y 力矢量在空间的分布形象反映了力场。 §3.2 保守力 非保守力 耗散力 x y z m o 一般地, 当质点所受的力仅与位置有关时, 即 代表质点受力的空间分布,称为力场。 二、几种常见力的功 1. 重力的功 dz dx z z1 z2 a b m x O 2. 万有引力的功 设质量为M的质点固定,另一质量为m的质点在M的引力场中从a点运动到b点。 dr rb ra a b M m 3. 弹性力的功 x m x2 x1 b a O x a b O r 4. 回旋力的功 O :为横向单位矢量 路程1: 圆弧ab W= 0 路程2: 回旋力: *圆周运动* R s o 角速度 角加速度 回旋力 离心力 5. 摩擦力的功 a b 桌面俯视图 三、保守力 非保守力 和耗散力 a b c d 保守力: 作功与路程无关,只与始末位置有关的力。 作功不仅与始末位置有关,还与路程有关的。 如:重力,引力,弹性力等。 如:摩擦力,回旋力等。 非保守力: 而(一对)摩擦力作功始终是负的,又称为耗散力。 有心力: 判据 如: 引力 静电力 是非保守力。(<0, 则为耗散力) 是保守力。 任意闭 合路程 解: [例3-5] 已知 , C点坐标为(2,1)。 求: (1) 的功 a. 沿路程 OAC b. 沿路程 OBC c. 沿路程 OC (2) 是否为保守力? (1) x O A B C(2, 1) y =0 =0 =0 (2) 非保守力,因为做功与路程有关。 x O A B C(2, 1) y 取任意路程ABCDA 为保守力。 为非保守力。 [例3-5] 设以下两个力场: , 画出力矢图, 并判断是保守力还是非保守力。 解: 取矩形路程EFGHE x y A B C D x y E F G H END 一、势能的引入 与物体的位置相联系的系统能量称为势能(Ep)。 保守力的功是势能变化的量度: 物体在保守力场中a,b两点的势能Epa, Epb 之差等于质点由a点移动到b点过程中保守力做的功Wab。 §3.3 质点在保守力场中的势能 弹性势能 重力势能 引力势能 如: 说明 设空间 点为势能零点,则空间任意一点 的势能为: [例3-6] 轻弹簧原长l0 ,劲度系数为k,下端悬挂质量为m的重物。已知弹簧重物在O点达到平衡,此时弹簧伸长了x0 ,现取x 轴向下为正,如果原点分别位于: (1) 弹簧原长位置, (2)力的平衡位置。若分别取原点为重力势能和弹性势能的势能零点,分别计算重物在任一位置 P 时系统的总势能。 解: (1) 以弹簧原长点O 为坐标原点,系统总势能: x m O O P x0 x (2) 若以重力与弹性力合力的平衡位置为原点,则有: 任意位置 x 处的系统总势能: x m O O P x0 x 二、保守力与势能的关系 1. 积分关系 2. 微分关系 偏导数 矢量式: 称梯度算符。 [例3-7] 已知势能函数, 求保守力。 解: 利用梯度算符在球坐标系中的表达式得: 三、势能曲线 o z 重力势能曲线 双原子分子的势能曲线: O r o r 引力势能曲线 o x 弹性势能曲线 [例3-8] 已知地球半径 R,物体质量 m,处在地面 2R 处。求势能:(1)地面为零势能点;(2)无限远处为零势能点。 解: 空间某点的势能Ep在数值上等于质点从该点移动到势能零点时保守力作的功。 一、质点系 内力与外力 内力 外力 §3.4 质点系的势能 势能属于相互作用有保守力的各物体组成的整个系统,称相互作用势能。与系统内的一对保守内力做功有关。 系统内,内力是成对出现的。 二、内力的功 相对元位移 O i j 一对内力的功: 相对位矢 1. 系统内一对内力的功一般不为零 说明 i j 考虑斜面和滑块间的一对摩擦力的作功情况。 说明:“系统内一对内力的功不一定为零”。 2. 一对内力做功之和与所选的参考系无关 与参考系无关, 一对摩擦力做功: Wf = - f l (地面系,木块系,子弹系) s l 子弹 木块 一对内力做功之和与所选的参考系无关! 例如: 三、相互作用势能 一对保守内力 i j 因此,在计算一对内力作功时,可选其中一个物体为参考系,以另一物体的相对位移为准求内力做功。 如: 重力势能 属于地球和物体组成的系统。 一对内力作功: O 四、多质点系统的势能 保守内力 END 其中 为质点 i 和 j 之间的相互作用势能。 一、质点系的动能定理 §3.5 功能原理 能量守恒定律 设第 i 个质点所受外力的功为 ,内力的功为 , 初速度为 , 末速度为 。 外力对质点系做的总功。 内力对质点系做的总功。 质点系的动能定理: 所有外力和内力对系统所作的功之和等于系统总动能的增量。 质点系的末态总动能。 质点系的初态总动能。 [例3-11] 光滑水平面上放有质量为m1的沙箱, 由左方飞来质量为m2的弹丸从箱左侧击入, 在沙箱中前进 l 距离后停止。 在这段时间中沙箱向右运动了距离 s , 此后沙箱带着弹丸以匀速 v 运动。求(1) 沙箱对弹丸的平均阻力F;(2) 弹丸初速v0 ;(3) 沙箱--弹丸系统损失的机械能。 (2) 对弹丸,应用动能定理: (1) 对沙箱, 应用动能定理: 解: s+l s (3) 机械能变化: 一对非保守内力(耗散力)做负功,使系统动能减少。 s+l s 二、功能原理 保守内力的总功 非保守内力的总功 内力的总功 质点系的功能原理: 质点系在运动过程中,所有外力的功和非保守内力的功的总和等于系统机械能的增量。 1. 明确系统及初、末状态。 2. 适用于惯性系。 3. 机械能守恒定律 与参考系无关, 而 与参考系有关。 说明 若 4. 对孤立系统 若 能量转换和守恒定律 其他形式的能量转化为机械能。 机械能转化为其他形式的能量。 则: [例3-13] 已知铁链质量m,长 l ,与桌面摩擦系数为 。问: (1) a 为多少时铁链开始下滑? (2) 金属链全部离开桌面时 v 为多少? 解: (1) (2) 摩擦力做负功,以 a 处为坐标原点 下垂部分重力 等于摩擦力时 O x dx a 利用功能原理,以桌面为零势能点: O x dx a [例3-14] 计算第一、第二宇宙速度。 一、第一宇宙速度 物体在地面附近绕地球做匀速圆周运动的速度 已知:地球半径为R,质量为M,卫星质量为m。要使卫星在距地面h 高度绕地球作匀速圆周运动,求其发射速度。 解: 设发射速度为v1,绕地球的运动速度为v。 机械能守恒: 万有引力提供向心力: R M m 得: 第一宇宙速度 二、第二宇宙速度 地球上的物体要脱离地球引力成为环绕太阳运动的人造行星,需要的最小速度 (1) 脱离地球引力时,飞船的动能必须大于或等于零。 (2) 脱离地球引力处,飞船的引力势能为零。 由机械能守恒: 得: 第三章作业
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