需要強調的關於保守力 對 做功特點 勢能的特徵

2022-05-01 05:03:03 字數 1227 閱讀 7968

摘要:本文從大學物理力學教程中關於保守力做功以及勢能的內容出發,進一步強調說明勢能的重要特徵:勢能屬於相互作用的兩物體;勢能實質反映兩相互作用保守力做功能力的總和。

為方便闡述這兩特點及其關聯性提出不同的教學思路。

關鍵詞:保守力;內力;勢能

中圖分類號:g642.4 文獻標誌碼:a 文章編號:1674-9324(2013)15-0189-02

在大學物理課程中,保守力做功以及勢能的引入在力學章節中是重要而基礎的一部分內容。而在大部分現用新教材中,相關內容介紹往往是這樣的:第一步先講保守力的特點是只與過程的初末位置有關,與中間路徑無關,並舉例說明重力、萬有引力、彈簧力等做功符合這一特點,是保守力;第二步引入勢能函式來表示保守力做功,同時強調該勢能屬於相互作用物體所共有的;第三步,之後對質點系運用質點的動能定理a外+a內=■■m■v■■■-■■m■v■■■=e■-e■(1),其中a外表示所有外力對系統做功,a內表示系統所有內力做功。

兩者之和為系統動能增加。內力做功分為保守力和非保守力做功兩項,其中保守力做功可用勢能變化表示,即a內=a非+a保守=a非+(ep0-ep)(2),將(2)式代入(1)得質點系的動能定理與功能原理a外+a非=ek+ep-ek0-ep0=e-e0(3)。

學生會遇到兩個不甚明了的問題:其一,為什麼在引入保守力勢能時必須說明勢能是屬於兩相互作用的物體的。其二,保守力為什麼必須是內力而不能是外力。

針對第乙個問題有一種顯而易見、權宜的解釋,如文獻說明:「勢能是由於系統內各物體間有保守力作用而產生的,因此屬於系統,單獨談哪個物體的勢能沒有意義。」我們認為這種說法並不全面。

一般物理學研究系統的方法不排斥外部條件,並視之為環境或者外界。其實這兩個問題是相互關聯的,根據定義保守力就屬於質點系的內力,外力不存在此說法。勢能所要刻化的是質點系中一對相互作用保守力做功潛力。

任意一對相互作用力做功與否取決於兩物體是否有相對運動,與選取的慣性系無關。所以系統的兩物體相互作用內力(對)是否做功也僅取決於系統內物體是否有相對運動。如從固定在其中乙個物體上的慣性參照系中討論相互作用力做功之和,則剛好等於該物體對另一物體的做功,因為另一反作用力不做功。

如果做功僅僅與另一物體相對該物體的初末位置有關,這對相互作用力就屬於保守力,引入的勢能函式的變化反映這一對保守力做功之和,該勢能屬於兩相互作用物體所共有,這樣理解就很自然了。一般教材裡,討論重力、萬有引力、彈簧力做功特點時,均用了相對參照系,如不加說明初學者很容易忽視一般情況下其反作用力做功部分,將其中一物體視為外界。因此分析某個力是否是保守力,首先要看施力物體是否屬於系統,其次看它是否重力、萬有引力、彈簧力等。

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