機械能守恒定律是:“只有重力作用時,物體的動能和重力勢能相互轉換,但機械能總量保持不變”。 這里唯一的條件是“只有重力起作用”,而重力做功的特性只與物體起始位置和終止位置的高度差有關,與物體走過的路徑無關。 因此,應用機械能守恒定律解決力學問題比使用牛頓定律更簡單。 然而,對于“只有重力起作用”來說,這個條件很難把握。 物體只受重力影響嗎? 如果物體還受到其他外力的作用怎么辦? 下面從幾個方面來闡述這個問題。
1、運動過程中,物體僅受重力影響。
例 1. 將質量為 5kg 的物體以 40m/s 的速度從距地面 100m 的高度從飛機上拋出。 如果不考慮空氣阻力,物體落地時的速度是多少? (
)
分析:這題只給出了拋出物體的速度,沒有給出速度的方向。 顯然用牛頓定律是無法解決的。 物體被拋出后,只受到重力的影響,只有重力對物體做功,所以機械能守恒。以地面作為重力勢能的零勢面,設物體下落時的速度到地面
,則有:
2、物體除了重力外,還受到其他力的作用,但其他力不做功。
示例 2. 質量為 m 的小球沿著光滑的彎曲軌道滑動。 軌道形狀如圖1所示,與彎曲軌道相連的圓形軌道的半徑為R。要使小球沿著光滑的圓形軌道通過圓的頂點,距最低點的高度是多少球是否應該從靜止狀態開始向下滑行?
圖1
分析:球在軌道上滑動時,受到重力和軌道支撐力的影響。 但支撐力始終垂直于球的運動方向,對球沒有做功。 也就是說,在整個運動過程中機械能守恒的條件,只有重力在起作用。 那么機械能守恒。假設軌道最低點的水平面是零勢能面。 球從最低點開始向下滑動,高度為 h。 小球到達圓形軌道最高點時的速度為
根據機械能守恒定律:
①
為了讓球精確地沿著圓形軌道通過最高點,它應該是:
②
由式①②可解
3. 物體在運動過程中所施加的重力會發生變化,但只有重力起作用。
例 3. 鏈的總長度為 l。 它被放置在光滑的水平桌子上。 鏈條的一端懸掛在桌子邊緣之外。 鏈的長度為d。 開始用手拉鏈條,如圖2所示。不考慮空氣阻力,松開后鏈條末端離開桌子邊緣的速度是多少?
圖2
分析:松開后鏈條向下落,并受重力加速。 隨著懸掛部分的增加,產生加速度的重力也增加,鏈條加速。 但整個過程中,桌面對鏈條的支撐力并不做功,只有重力做功,機械能守恒。
設鏈條單位長度的質量為
,其末端離開桌面的速度為v。以桌面為重力勢能的零勢能面,根據機械能守恒定律:
所以:
4. 物體系統有其他力做功,但所做功的代數和為零。
例 4. 如圖 3 所示,質量分別為 2m 和 m 的小球 A 和 B(可視為質點)通過不可延伸的細線連接,并橫跨在具有固定半徑 R 的光滑圓柱體的兩側。 。 開始時,球A和球B與圓柱體軸線在同一直線上,用手支撐球A。 釋放 A 球后,A 球和 B 球開始滑動。 求B球滑到氣缸最高點時氣缸上的壓力?
圖3
分析:本題的關鍵是求球B到達圓柱體最高點時的速度。 兩個小球A和B用細線連接起來。 當 A 球落下、B 球上升時,雖然細線的拉力對它們做功,但拉力對 A 球做負功,對 B 球做正功。對于由 A 球和 B 球組成的系統機械能守恒的條件,有拉力所做的功的代數和為零,因此機械能守恒,利用機械能守恒定律可以求出B的速度。
由機械能守恒定律可知:
解決方案必須:
當球 B 位于圓柱體最高點時:
,解決方案必須:
發現N小于零,說明球B到達氣缸最高點時已脫離氣缸,即氣缸上的壓力為零。
應用機械能守恒定律解決問題時,首先要分析物體所受的力,明確物體運動過程中這些力所做的功。 如果只有重力起作用,則可以用機械能守恒定律來解決問題。