大学物理,功和能及功能原理4.2 保守力及其功剖析
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一、力的分类1.保守力。
所做功只与物体的相对起始和终点所在之处相关联,而与其物体的过程轨迹无关的力,即为保守力[1]。
假若一力学体系里,所有的作用力都是保守力,则称此系统为保守系统。
若场力的积分,则W ABC=W ADC,由此W ABCDA= W ABC+W CDA=W ABC-W ADC=0。
从其定义已经了解到对象的相对起始和终点所在之处决定了保守力做功的多少,假若在此力的作用下,物体的运动在一个封闭的路径绕行一个周期后回到起始位置,则作功是零。
假若空间中存在某一质点,质点不论在其周围任何位置,其所受到的力f与向量同向或反向,即受到吸引力或排斥力,力的大小是标量的单值函数,我们称这样的力为有心力。
所有的有心力都是保守力,如万有引力(重力)。
如果在一个孤立的系统中,所有的作用力都是保守力,则为机械能守恒的系统。
2.非保守力。
力所做的功与其运动轨迹有关的作用力即为非保守力。
通常由于能量守恒原理,非保守力做功的能量损耗被转移到其他地方。
例如,物体间摩擦力做功会使机械能转变为热能,有时候也伴随着声能等。
游船在水中移动时,水对船身的阻力将船所具有的机械能转变,如热能、声能和波能等。
从热力学第二定律可推断出,非保守力的能量损耗不可逆。
3.耗散力。
作用力对质点体系做功为负,从此导致整个系统的机械能总体减少的力即为耗散力。
耗散力做功与力使物体运动所经过的轨迹有关[2-4]。
力的划分根据力做功与运动轨迹是否相关而区分为保守力与非保守力;耗散力、非耗散力是非保守力的两个组成部分。
我们在力学体系内了解的非保守力基本上都为耗散型力,因而长久以来耗散力就几乎等同于非保守力的代替词。
然而非保守力并不都是耗散力,这二者是有区别的,例如,一根绳子跨过一个上端固定的轻质滑轮,此绳两端分别连接有两个重量不相等的重物,在放开物体令其自由运动后,绳子的拉力对下降的物体做功为负,对上升的物体做功为正。
但是根据能量守恒定律,在整个过程中机械能并无损失,而是转变为相应内能等,所以此拉力既不是属于保守力之列,也不是属于耗散力之列,即为非耗散力。
浅议物理学中的保守力和势能【摘要】保守力和势能在物理学中扮演着重要的角色。
保守力是指不依赖路径的力,其所做的功与路径无关。
势能则是对保守力的一种描述,是可用于确定力学系统状态的函数。
保守力和势能之间存在着密切的关系,一般通过势能函数来确定。
根据保守力和势能的关系,我们可以推导出机械能守恒定律,即在只受保守力的情况下,力学系统的机械能保持不变。
保守力和非保守力的区别在于是否可以用势能来描述。
保守力和势能的重要性体现在它们对力学系统的描述和分析中起到了关键作用,而在物理学中也有着广泛的应用。
为了更深入地理解和探索保守力和势能,未来的研究方向可能会集中在更复杂系统下的运用和拓展。
【关键词】保守力、势能、物理学、性质、关系、确定、守恒定律、区别、重要性、应用、未来研究方向。
1. 引言1.1 保守力的基本概念保守力是物理学中一个非常重要的概念,它在描述物体运动和相互作用过程中起着至关重要的作用。
保守力是一种在物体运动中所做的功与路径无关的力,即对于沿着任意闭合路径作功的保守力,总是零。
这意味着保守力对物体的位移所做的功只依赖于起点和终点,而与具体路径无关。
保守力的基本概念包括以下几个要点:1. 保守力与势能的关系:保守力可以用势能来描述和计算。
势能是对物体在某个力场中位置所储存的能量,而保守力则是通过势能的梯度来定义和推导的。
具体来说,对于一个保守力F,其对应的势能函数为U,满足F = -∇U。
这里的负号表示力是势能的负梯度方向,即力的方向指向势能减小的方向。
2. 势能的引入:为了便于描述和计算保守力对物体的作用,我们引入了势能这一概念。
势能可以是位置的函数,也可以是速度和其他物理量的函数。
通过引入势能,我们可以将关于保守力的问题转化为寻找势能函数和利用势能函数进行计算的问题。
保守力的基本概念包括了与势能的关系和势能的引入。
这些概念在物理学中有着广泛的应用和重要性,对于解决各种运动和相互作用问题都起着至关重要的作用。