质点动力学 2.ppt
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1、2.3 2.3 功、保守力的功功、保守力的功 一、功一、功 、功率、功率1恒力的功恒力的功力对质点作功:力对质点作功:如果力如果力 F 作用在物体上,使物体运动一定距离作用在物体上,使物体运动一定距离 s 只有位移方向上的分量作功只有位移方向上的分量作功如果如果 与位移与位移 如图如图有一定夹角时,有一定夹角时,力力 对质点作功为:对质点作功为:2.变力的功变力的功当当N时时直角坐标系:直角坐标系:自然坐标系:自然坐标系:1.一般情况下,功与力和路径有关一般情况下,功与力和路径有关说明说明SS oo (t1)ABuo (t2)位移与参照系有关位移与参照系有关2.与与参照系无关,位移与参照系有关
2、,参照系无关,位移与参照系有关,故故 A与参照系有关。与参照系有关。4.平均功率平均功率瞬时功率瞬时功率瓦特瓦特(W)=(J/s)3.合力的功等于各分力的功的代数和。合力的功等于各分力的功的代数和。解:解:例例 小球在水平变力小球在水平变力 作用下缓慢移动,即在所作用下缓慢移动,即在所有位置上均近似处于力平衡状态,直到绳子与竖直有位置上均近似处于力平衡状态,直到绳子与竖直方向成方向成 角。求:角。求:(1)的功,的功,(2)重力的功。重力的功。ml受力分析受力分析变力变力恒力恒力 曲线运动曲线运动mlrarbABoM万有引力的功万有引力的功CdrF二、保守力的功二、保守力的功引力作功与具引力作
3、功与具体路径无关!体路径无关!作功只与质点的初、末位置有关。作功只与质点的初、末位置有关。若质点在引力的作用下,沿若质点在引力的作用下,沿BDA从从B回到回到A点点,D如果质点沿如果质点沿ACBDA封闭封闭路径一周,引力作功为:路径一周,引力作功为:rarbABFdroMC 设设质质量量为为m的的物物体体在在重重力力的的作作用用下下从从a点点任任一一曲曲线线acb运运动动到到b点点。重力作功重力作功 在元位移在元位移 中,重中,重力力 所做的元功是所做的元功是 由由此此可可见见,重重力力作作功功仅仅仅仅与与物物体体的的始始末末位位置置有有关关,而而与与运运动动物物体体所经历的路径无关。所经历的
4、路径无关。设设物物体体沿沿任任一一闭闭合合路路径径 运运动动一一周周,重力所作的功为:重力所作的功为:表表明明:在在重重力力场场中中物物体体沿沿任任一一闭闭合合路路径径运运动一周时重力所作的功为零。动一周时重力所作的功为零。弹性力的功弹性力的功 弹弹簧簧劲劲度度系系数数为为k ,一一端端固固定定于于墙墙壁壁,另另一一端端系系一一质质量量为为m的的物物体体,置置于于光光滑滑水水平平地地面面。设设 两两点点为为弹弹簧簧伸伸长长后后物物体体的的两两个个位位置置,和和 分分别别表表示示物物体在体在 两点时距两点时距 点的距离。点的距离。XOXxbOxaxXxbOxax 由由此此可可见见,弹弹性性力力作
5、作功功也也仅仅仅仅与与质质点点的的始始末末位置有关,与具体路径无关。位置有关,与具体路径无关。这三种力对质点作功仅决定于质点运动的始末位这三种力对质点作功仅决定于质点运动的始末位置,与运动的路径无关,称为置,与运动的路径无关,称为保守力保守力。保守力的判据是:保守力的判据是:若某种力作功与具体路径有关,该种作用力称为耗散力。如摩擦力、爆炸力等三、质点的动能定理三、质点的动能定理设质点设质点m在力的作用下沿曲线从在力的作用下沿曲线从a点移动到点移动到b点点元功:元功:ba总功:总功:ba质点的动能定理: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。合外力对质点所做的功等于质点动能的增量
6、。说明说明1.合外力的功是动能变化的量度。合外力的功是动能变化的量度。与参考系有关与参考系有关,动能定理只在动能定理只在惯性系惯性系中成立。中成立。2.LxoLsx传送机滑道传送机滑道水平平台水平平台例例 柔软匀质物体以初速柔软匀质物体以初速v0 送上平台,物体前端在平送上平台,物体前端在平台上滑行台上滑行 s 距离后停止。设滑道上无摩擦,物体与台面距离后停止。设滑道上无摩擦,物体与台面间的摩擦系数为间的摩擦系数为,且,且 s,求初速度,求初速度v0。解:解:由动能定理:由动能定理:oyx例例 一固定光滑圆柱体上的小球(一固定光滑圆柱体上的小球(m)从顶端下滑。从顶端下滑。求小球下滑到求小球下
7、滑到 时小球对圆柱体的压力时小球对圆柱体的压力。解:在解:在处时,质点受力处时,质点受力如图如图o自自然然坐坐标标系系利用动能定理利用动能定理一、一、势能势能 仍以引力为例仍以引力为例按照动能定理:按照动能定理:若质点在引力场中运动(只受引力作用)若质点在引力场中运动(只受引力作用)引力场引力场或或2.42.4势能势能 、机械能守恒、机械能守恒 可见,空间位置的量可见,空间位置的量 与动能相对应!与动能相对应!使其与动能的和保持不变!使其与动能的和保持不变!我们把我们把称为(引力)称为(引力)势能势能 ,通常用,通常用 Ep 表示表示由此可以设想:质点处于保守力场中时,相应地具有由此可以设想:
8、质点处于保守力场中时,相应地具有 一定的一定的势能势能与质点所处位置有关。与质点所处位置有关。势能增量的负值!势能增量的负值!定义了势能的差值。定义了势能的差值。当保守力场作正功时(当保守力场作正功时(A0),),动能增大,动能增大,可以认为这是质点势能减小并转化为可以认为这是质点势能减小并转化为运动能量运动能量的故!的故!势能就是质点在保守力场中所具有的势能就是质点在保守力场中所具有的潜在的能量潜在的能量(Potential Energy)(Kinetic Energy)Conservative 有有“保存保存”的意思。的意思。Conservative force保守力保守力意味着意味着:在
9、保守力场中,质点的动能可以:在保守力场中,质点的动能可以“势能势能”的形式保存起来;也可以通过作功的方式再释放出的形式保存起来;也可以通过作功的方式再释放出来成为可对外作功的来成为可对外作功的“动能动能”。按照势能定义式:势能还可以有一个常量的差!按照势能定义式:势能还可以有一个常量的差!如引力势能:如引力势能:常量可任意选择!常量可任意选择!对引力情况,通常取无限远为势能零点。对引力情况,通常取无限远为势能零点。弹性势能:弹性势能:重力势能:重力势能:z=0处为势能零点。处为势能零点。x=0处为势能零处为势能零点。点。空间某点的势能空间某点的势能Ep在数值上等于质点从该点移动在数值上等于质点
10、从该点移动到势能零点时保守力作的功。到势能零点时保守力作的功。势能的大小只有相对的意义,相对于势能的大小只有相对的意义,相对于势能零势能零点点而言。势能零点可以任意选取。而言。势能零点可以任意选取。势能是相互作用有保守力的系统的属性。势能是相互作用有保守力的系统的属性。说明说明 设空间设空间 点为点为势能零点势能零点,则空间任意一点,则空间任意一点 的势的势能为:能为:例例 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,原点位于:(1)弹簧原长位置,(2)力的平衡位置。若取原点为重力势能和弹性势能的势能零点,分别计算重
11、物在任一位置 P 时系统的总势能。解:解:(1)以弹簧原长点以弹簧原长点O 为坐为坐标原点,系统总势能:标原点,系统总势能:xmO OPx0 xx(2)若以重力与弹性力合力的平衡位置为原点,则有:若以重力与弹性力合力的平衡位置为原点,则有:任意位置任意位置 x 处的系统总势能:处的系统总势能:xmO OPx0例例 已知地球半径已知地球半径 R,物体质量物体质量 m,处在地面处在地面 2R 处。处。求势能求势能:(1)地面为零势能点;)地面为零势能点;(2)无限远处为零势能点。)无限远处为零势能点。解:解:二二 机械能能量守恒定律机械能能量守恒定律 1、质点系动能定理、质点系动能定理设设质点系质
12、点系由由N个质点组成个质点组成 mi (i=1,2,3,N)速度为速度为 受力为:受力为:按质点动能定理:对任一质点按质点动能定理:对任一质点 mi 有有 初态初态 末态末态 对每个质点对每个质点都适用!都适用!对整个质点系对整个质点系质点系的动能定理质点系的动能定理一般情况下,内力作功总和一般情况下,内力作功总和 不等于零。不等于零。初态初态 末态末态 如若将质点系内各质点相互作用的内力分成保守内力如若将质点系内各质点相互作用的内力分成保守内力和非保守内力和非保守内力则内力做的总功则内力做的总功 也可以作相应分解:也可以作相应分解:质点系的动能定理可改写为质点系的动能定理可改写为 2、功能原
13、理(功能原理(work-energy theorem)(1 1)保守力)保守力Conservative Forcec(2)非保守力)非保守力nonconservative Forcenc该式称为该式称为功能原理功能原理依势能定义,内保守力依势能定义,内保守力作功可表示成质点系势能差:作功可表示成质点系势能差:代表质点系的机械能代表质点系的机械能设设当外力对系统不作功;系统内也无非保守内力作功当外力对系统不作功;系统内也无非保守内力作功(或内力作功总和为零)时:(或内力作功总和为零)时:在孤立系统中非保守内力不作功时,系统中的动能在孤立系统中非保守内力不作功时,系统中的动能与势能可以彼此转化,各
14、质点的机械能也可以相互与势能可以彼此转化,各质点的机械能也可以相互交换,但系统的总机械能为恒量交换,但系统的总机械能为恒量.机械能守恒定律机械能守恒定律3、机械能守恒定律、机械能守恒定律(law of conservation of mechanical energy)由功能原理:由功能原理:注意注意本章讨论的动能定理、功能原理、机械能守恒本章讨论的动能定理、功能原理、机械能守恒等都是针对某等都是针对某惯性系惯性系的结论!的结论!按功能原理,要改变一系统的机械能按功能原理,要改变一系统的机械能 ,可通过外力对,可通过外力对系统作功,也可利用系统的非保守内力作功;系统作功,也可利用系统的非保守内
15、力作功;4、能量转换和守恒定律能量转换和守恒定律系统内部非保守内力作功都会使系统的机械能发生变化系统内部非保守内力作功都会使系统的机械能发生变化前者是外界与系统间的能量交换,后者则是系统内部前者是外界与系统间的能量交换,后者则是系统内部机械能与非机械能之间的转换。机械能与非机械能之间的转换。对于孤立系统对于孤立系统功能原理功能原理实验事实证明:实验事实证明:在孤立系统中机械能增加在孤立系统中机械能增加or减少减少时,就有等量的非机械能减少时,就有等量的非机械能减少or增加增加,从而保持系从而保持系统的总能量(机械能与非机械之和)不变。统的总能量(机械能与非机械之和)不变。能量转换和守恒定律能量
16、转换和守恒定律例例 如图所示,一质量为如图所示,一质量为m,长为长为l的柔索放在桌面上,的柔索放在桌面上,柔索跨过滑轮下垂,滑轮很小,其质量不计,柔索与桌柔索跨过滑轮下垂,滑轮很小,其质量不计,柔索与桌面间摩擦系数为面间摩擦系数为。试求:试求:(1)柔索下垂长度至少为多大时,柔索开始下滑?)柔索下垂长度至少为多大时,柔索开始下滑?(2)当柔索全部离开桌面时,柔索的速度多大?)当柔索全部离开桌面时,柔索的速度多大?解解:(1)附加条件:附加条件:(2)利用功能原理利用功能原理机械能变化:机械能变化:设桌面上长度设桌面上长度(1x)摩擦力摩擦力由功能原理由功能原理解:解:(a)原长原长(b)初态初
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