大学物理简程张慧主编功和能.ppt

* 第4章 功和能 4.1 功 4.2 动能定理 4.3 势能 4.4 引力势能 4.5 由势能求保守力 4.6 机械能守恒定律 4.7 碰撞 引言：前面我们研究了力的瞬时作用规律，但物体运动往往都要经过一定的时间和一定的空间，并且随着经历的时间长短，空间长度的不同，力的效果不同。 2）从力对空间的积累作用出发，引入功、能 的概念----能量守恒定律 1）从力对时间的积累作用出发，引入动量、 冲量的概念----动量定理和动量守恒定律 4.1 功 1、元功的定义 M M 一质点在力F的作用下，发生一无限小的元位移dr时，力对质点做的功dA定义为力F和位移dr的标量积。 力做正功 力不做功 力做负功（质点克服力做功） 标量积没有方向，但有正负： 2、变力沿曲线做的功 Q P j j 在元位移中将力视为恒力，力沿P、Q的功为所有无限小段位移上的元功之和。 元功：dA 元位移： 功的量纲：ML2T-2 功的单位：焦耳，符号J (2) 力和力的作用点沿力的方向的位移，是机械功的两个不可缺少的因素。如果仅有力对物体的作用，而力的作用点没有位移，力对物体就没有作功。 a) 在实际问题中，物体的位移和力的作用点的位移并不是一回事，这时为计算功就必须考察力的作用点的位移。 b)还要注意区别力的作用点的变更与力的作用点的位移这两种情况。例如，人走路时虽然鞋底对路面有静摩擦力作用，但是随着人的走动，受力点不断在路面上更换，而没有发生位移，所以静摩擦力不作功。 （3）合力的功为各分力的功的代数和。 （4）由于位移与坐标系的选择有关，故力所作的功也与坐标系的选取有关。 3、功的几个概念 (1)功是描述力作用于物体的空间积累效应的物理量，功是过程量，与路径有关。 4、几种常见力的功 （1）重力的功 重力mg 在曲线路径 AB上的功为 重力所做的功等于重力的大小乘以质点起始位置与末了位置的高度差。 (1)重力的功只与始、末位置有关，而与质点所行经的路径无关。 (2)质点上升时，重力做负功；质点下降时，重力做正功。 结论： x y z O dh G ② ① dr A B (2)弹性力的功 (1) 弹性力的功只与始、末位置有关，而与质点所行经的路径无关。 (2) 弹簧的变形减小时，弹性力做正功；弹簧的变形增大时，弹性力做负功。 弹簧弹性力 由x1 到x2 路程上弹性力的功为 弹性力的功等于弹簧劲度系数乘以质点始末位置弹簧形变量平方之差的一半。 结论: x O (3) 摩擦力的功 摩擦力的功，不仅与始、末位置有关，而且与质点所行经的路径有关 。 在这个过程中所做的功为 摩擦力 摩擦力 方向： 切向且与速度反向 保守力 做功与路径无关，只决定于系统的始末位置或形状的力称为保守力。（重力、弹簧的弹力等） 若力作用在物体上，物体沿闭合路径移动一周时，力做的功为零，这样的力称为保守力。 证明： 5、功率（做功的快慢） A）平均功率（ ） 在 时间内力作做功 定义： B）瞬时功率（N） 4.2 动能定理 思路：与推导动量定理和角动量定理相同，仍然由牛顿第二定律出发 元功： 将牛顿第二定律代入 定义动能： 动能定理：合外力对质点做功的数值等于质点动能的增量。 例：利用动能定理求解线摆下 角时珠子的速率。已知珠子的质量为m。 O 解：运用动能定理求解 珠子从A落到B的过程中，合外力对它做的功为： A B l 由于 ，所以： 应用动能定理， O A B l 质点系的动能定理 以三个质点组成的系统为例，所受外力、 内力如图： 对质点‘1’有： 质点系的动能定理 ----所有外力对质点系做的功和内力对质点系做的功之和等于质点系总动能的增量。 对质点“2”有 对质点“3”有 (1) 内力和为零,内力功之和可以不为零，因而可以改变系统的总动能。 (2) 内力改变系统的总动能,但是不能改变系统的总动量。 讨论： 轨道动能 内动能 零 柯尼希定理：一个质点系相对于某一惯性系的总动能等于该质点系的轨道动能和内动能之和。 即 证明： 对质点系中某一质点 例：一个质量15g的子弹，以200米/秒的速度射入一固定的木板内，如阻力与射入木板的深度成正比，即 且 求子弹射入木板的深度。 已知： m=15g 求 =？ 解：以m为研究对象，建立坐标系ox， 设深度为 O X m 由动能定理： 10.3 势能 如果力所做的功与路径无关，而只决定于物体的始末相对位置，这样的力称为保守力。 重力做的功： 弹力做的功： 1、功是能量变化的量度，左面是功，右面必代表某种能量的变化。 2、这种能量的变化又总是等