势能曲线与一维运动.PDF

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势能曲线与一维运动

势能曲线与一维运动 一维势能曲线是研究质点在保守力场中运动特征的有效工具。在质点动力学中我们曾经 由保守力做功的特点引入了势能概念,势能是与相互作用物体的相对位置的函数。在一维情 况下,势能可表为位置x 的函数E p Ep (x ) 。一任意的具有代表性的势能函数曲线如图 1 所示。 EP (x ) E D 1 P H E 2 C E G A F xP xA B x C xE x G x 图 1 势能曲线可以为我们提供质点运动的许多信息。由保守力与势能的关系可知 dEp (x) F  (1) dx 也就是说力的方向总是指向势能下降的方向,大小正比于势能曲线的斜率。图 1 中,A 点 的斜率小于零,因此该点处质点所受保守力指向x 轴正向,而 C 点的斜率大于零,于是该 点处质点所受保守力指向x 轴负向。B 、D 和F 点曲线斜率为零,所以,质点在该点不受 力。 还可以根据质点的总能量由势能曲线判定质点的运动范围或区域。做总能量为E 的水 平线,该水平线与势能曲线有多个交点,我们将这些交点对应的坐标x P , x A , x C , x E , x G 称 为转折点(或转变点)。由于总能量 1 2 E E E mv E k p 2 p 质点运动速度 2(  ) E E v p (2) m 为使速度有物理意义,即v 0 ,要求E E ,该条件表明,总能量曲线上方势能大于总 p 能量的运动状态是不可能存在的。图 1 所示的系统中,若总能量为E1 ,则系统只有一个转 折点x P ,该点决定了质点运动范围为x xP 的区域,因为,当质点向 x轴负向运动到x P 点 时,E=Ep ,由式(2 )可知速度为零,并在向x 轴正向的力的作用下向 x 轴正向运动 (转向); 若总能量为E2 ,则质点运动范围只可能为x A 和x C 区间,以及x E 和x G 区间。 利用势能曲线可以研究质点运动的局部稳定性。由于空间不同位置处势能曲线的形状不 同,将导致不同结果。图 1 中,A 和F 是势能曲线的极小点,由数学知识可知该两点附近 2 2 有d E dx 0 ,即 p 2 d E d dE dF

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