機械能守恒定律的概念
在一個只有重力或彈力做功的物體系統中(或沒有其它外力作用于該物體系統中),物體系統的動能與勢能(包括重力勢能和彈性勢能)互相轉化,但機械能的總能量保持不變。這個定律叫做機械能守恒定律。
機械能守恒定律()是動力學中的一個基本定律,即任何一個物體系統,如果沒有外力做功,系統中只有保守力(見勢能)在做功,那么系統的機械能(動能與勢能之和)保持不變。外力所作的功為零,表示沒有從外界輸入機械功;只有保守力在做功,即只有動能與勢能轉化,沒有機械能轉化為其他能量。滿足這兩個條件的機械能守恒定律,對所有的慣性參考系都成立。這個定律的簡化表述是:當一個質點(或一個質點系統)在勢場中運動時,它的動能與勢能之和保持不變;或者當一個物體在重力場中運動時,它的動能與勢能之和保持不變。這個表述暗示著產生勢場的物體(如地球)的動能變化可以忽略不計。 這只在一些特殊的慣性參考系如地球參考系中才成立。如圖所示,如果忽略一切阻力和能量損耗,滾擺只受重力作用。在這種理想情況下,重力勢能與動能相互轉化,機械能不變,滾擺會繼續上下運動。
機械能守恒定律的守恒定律
機械能守恒的條件是:系統中只有彈力或重力所作的功。【即忽略摩擦造成的能量損失,所以機械能守恒也是理想化的物理模型】,是系統中機械能的守恒。一般做題的時候,機械能是不守恒的,但是可以利用能量守恒,比如把損失的能量補回來。
由功函數關系=△可知,機械能守恒的更一般的條件應該是系統外部的力所作的功為零。
當系統不受外力作用或受到外力所作的功的總和為零時,系統的總動量保持不變,這稱為動量守恒定律。
只有當動能與勢能(包括重力勢能和彈性勢能)相互轉化時,機械能才守恒。
機械能守恒定律的三種表述1.從能量守恒定律的角度
選取一個平面作為零勢能面,系統在終態的機械能等于初態的機械能。
2.從能量轉換角度
當系統的動能與勢能相互轉化時,如果系統勢能的減少量等于系統動能的增加量,則系統的機械能守恒。
3.從能量傳遞角度
系統中有A、兩個或多個物體,若A的機械能減少量等于機械能增加量,則該系統的機械能守恒。
以上三種表達方式各有特點,在不同情況下,應選擇合適的表達方式動能定理表達式,靈活運用,不要拘泥于其中一種,這樣解題就會變得簡單快捷。
典型事例分析
例1:如圖所示,小球A、B、C,質量均為m,用兩根長L的輕繩連接,放在高為h的光滑水平面上,L>h。A球剛越過桌子邊緣。若A、B球相繼落地,不反彈,求C球剛離開桌子邊緣時的速度。
分析:
思路1:將地面作為零勢能面。
設A球落地時的速度為v1,從A球開始運動到落地期間,A、B、C三球組成的系統的機械能守恒,有:
設B球落地時的速度為%,從A球落地到B球落地的過程中,B球和C球組成的系統的機械能守恒,有:
這個速度就是C球離開桌子邊緣的速度。
這是從守恒角度出發的公式,把系統在初態和終態的動能和勢能分別寫出來,然后求解方程動能定理表達式,思路清晰,簡單易行,需要注意的是,能量一定要一一搞清楚,不要遺漏任何細節。
思路2:當球A落到地面時,系統的勢能減少,系統的動能增加
根據機械能守恒定律:
太陽墜落地面過程中,系統勢能減少mgh,系統動能增加
根據機械能守恒定律:
這是從勢能和動能轉化的角度講的公式,思路也很清晰,需要注意的是勢能的減少或者動能的增加都是有規律的,并不是某一物體的。
機械能守恒定律公式總結
所做功:W = FS·COS ? ? 是力與位移之間的角度
重力所作的功:GW = mgΔhΔh 是物體初始位置和最終位置之間的高度差
重力勢能:pE=mghh是物體重心相對于零勢能面的高度
重力所作的功與重力勢能的變化量的關系為:GW=-ΔpE,即重力所作的功與重力勢能的變化量相反。
彈性勢能:
,L 是彈簧的變形
彈力所作的功與彈性勢能的關系為:FW=-ΔpE,即彈力所作的功的變化量與彈性勢能的變化量相反。
動能定理:
即總外力所做的功等于動能的變化
計算合成外力所作功的方法有兩種:1)先計算合成外力F,再計算合成F·S·COS?
2)首先計算每個分力所做的功,然后求和,W1+W2+W3…
機械能守恒定律:條件:只有重力和彈力做功
公式:=?即初始總機械能等于最終機械能
變形公式:ΔEk=-ΔEp,即動能的變化與勢能的變化相反。
如果系統A和B的機械能守恒:
1)
也就是說,開始時的總機械能等于結束時的總機械能
2)
也就是說,總動能的變化與總勢能的變化相反。
3)
也就是說,A的總機械能的變化與B的總機械能的變化相反。
能量守恒定律:=?即開始時的總能量等于結束時的總能量
機械能變化:
1)W=ΔE,即系統中除重力和彈力外的其他力所作的功的量為機械能的變化量(即其他力給原系統賦予能量或消耗原系統的能量)
2)摩擦功對機械能的影響:即摩擦力乘以相對位移等于產生的熱量(內能),這是機械能的損失。