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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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