機(jī)械能守恒定律是指:在不計(jì)阻力的情況下,物體只受到重力的作用,或者受到的重力和彈簧的彈力等其他外力做功相抵消的情況下,物體的動(dòng)能和勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化,但總量保持不變。這個(gè)規(guī)律叫作機(jī)械能守恒定律。
機(jī)械能守恒定律是能量守恒的一種特殊情況,只適用于宏觀低速的情況。在物理學(xué)中,機(jī)械能通常包括動(dòng)能和勢(shì)能。
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例題:
一質(zhì)量為 m 的小球,在距地面高為 H 的位置以初速度 v0 水平拋出,不計(jì)空氣阻力,求小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒的時(shí)刻。
解:小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,只有重力做功,機(jī)械能守恒。
設(shè)小球在時(shí)刻 t 的高度為 h,則由運(yùn)動(dòng)學(xué)公式可得:
h = H - (v0t - 1/2gt^2)
其中 g 為重力加速度。
又因?yàn)橹亓?shì)能的改變量為:
ΔEp = mgh
而小球的機(jī)械能 E = (1/2)mv0^2 + mgh
因此,當(dāng) h = 0 時(shí),即小球落地時(shí),機(jī)械能守恒。此時(shí)小球的機(jī)械能為:
E = (1/2)mv0^2
考題:
一個(gè)質(zhì)量為 m 的小球從半徑為 R 的光滑圓弧軌道上由靜止開(kāi)始滑下,求小球在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒的時(shí)刻。
解:小球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中,只有重力做功,機(jī)械能守恒。因此,當(dāng)小球的速率達(dá)到最大時(shí),機(jī)械能守恒。此時(shí)小球的速率可由動(dòng)能定理得到:
mgR = (1/2)mv^2 - 0
解得 v = sqrt(2gR)
因此,小球在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中機(jī)械能守恒的時(shí)刻為小球達(dá)到最大速率時(shí)。