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大学物理(II)4守恒定律

* * §4-3-3 保守力 势能   一.保守力 保守力:作功只与物体始末位置有关,而与运动路经无关的力 保守力沿任一闭合路径 l 保守力作功,可引入势能描述 反之为非保守力 (1)重力势能 二.势能 重力 或 定义  ----重力势能 则 ----重力作功=重力势能的减少 则 重力势能零点选择可任意。 若 a点重力势能=将m由a移至零势能点时重力所作的功 (2)弹性势能 弹性力 定义: ----弹性势能 则 弹性势能零点:弹簧原长(x=0) (3)引力势能 万有引力: 定义: 若 引力势能零点:无穷远处(r ?? ) ----引力势能 则 势能只有相对意义,势能之差有绝对意义。 说明: 只有保守力才能引入势能的概念。 保守力的功=系统势能增量的负值, 势能为系统拥有 重力 弹性力 万有引力 保守内力 两物体间的摩擦力---非保守内力 §4-3-4 功能原理 机械能守恒 系统的动能定理 内力=保守内力+非保守内力 其中 ----系统机械能 系统外力作功+非保守内力作功=系统机械能的增量 ----系统的功能原理 ---机械能守恒定律 当 有 [例]如图,质量为m的木块与弹性系数为k的轻弹簧碰撞,将弹簧压缩了x米。设木块与斜面之间的摩擦系数为μ,问开始碰弹簧时木块的v有多大? 解:设碰弹簧时及压缩最大时木块高度分别为h1、h2 木块+弹簧+地球= 质点系 即 [例]质量为m1,m2 (m2m1)的两木板A、B用轻弹簧连在一起,如图。问:(1)至少需用多大的压力F加于上板,才能在该力撤去后,恰好使m2离开地面? (2)如m1,m2交换位置,结果如何? F 解: 设加F后弹簧比原长缩短 , F撤去后弹簧伸长 恰使m2提起 则 (刚离地条件) ?取最低点为重力势能零点,原长为弹性势能零点 机械能守恒 木块+弹簧+地球 = 质点系 解得 ? m1,m2交换位置,结果不变   完全弹性碰撞:碰撞前后机械能守恒 非弹性碰撞:碰撞前后机械能有损失(转化为热、声等能) 完全非弹性碰撞:碰撞前后机械能有损失,并以共同的速度运动 §4-3-5 碰撞 一.完全弹性碰撞 二.完全非弹性碰撞 能量损失: 能量无损: 动量守恒: 动量守恒: [例]两质量不同的球A和B相互碰撞,A球原来静止,B球速率为v,碰撞后B球速率为v/2,并沿与原来路线垂直的方向运动。求碰撞后A球的运动方向 解:由动量守恒 [例]地面上竖直安放一倔强系数k的弹簧,其顶端连接一静止物体质量为M,另一质量为m的物体从距离M为h处自由落下,与 M作完全非弹性碰撞,求弹簧对地面的最大压力。 解: 弹性势能零点: (弹簧原长) 重力势能零点: M m 自由下落过程: 完全非弹性碰撞过程: 机械能守恒过程: [例]水平光滑桌面上有一轻弹簧倔强系数k,一端系在定轴O上,另一端系质量m的小球,设弹簧和m可饶 O自由转动。开始弹簧在原长l0, m静止,另一质量为m1的小球以v0垂直弹簧与m碰撞,且碰后两者合为一体,若经过一段时间后系统转过?角度,弹簧伸长为l,求此时两球的共同速度的大小及方向 O m1 m l0 l ? ? O m1 m l0 l ? ? 过原点的弹力,对O的力矩=0 所以,物体对O的动量矩守恒: 碰撞过程: 有能量损失,但动量守恒: 系统(m1,m,弹簧)机械能守恒: 碰撞后: * * * * * * * * * [例]证明一匀质杆的质心位置C在杆的中点 解: 设杆长为l,质量为m,单位长度质量为 建立如图的坐标系 取线元dx 质量 得证 或 [例]一半圆形均匀铁丝,半径为R,求其质心位置 解: 建立如图的坐标系 任取一小段铁丝dl,质量 由对称性知质心在y轴上 质心不在铁丝上,但相对于铁丝的位置是确定的 [例]一半径为R的匀质圆盘,开了一半径为r 的圆孔,两圆中心0、0’相距为d,求其质心 解: 建立如图的坐标系 大盘质心坐标: O’ 等效为质量面密度为 的无孔大盘和质量面密度为 的小盘组合而成 大盘: 小盘质心坐标: 小盘: O’ 二.质心运动定理 ----质心运动定理 在直角坐标系中 (1)质心运动遵循与牛二定律相同的规律 讨论   (2)质心为质点系的代表点,其上集中了系统的全部质量和合外力 (3)当 时 即 常矢量 =常矢量 ----系统动量守恒定律 (4)系统内力不改变质心的运动 (5)质心和重心是两个不同的概念 [例]水平桌面上有一张纸,纸上放一均匀球,球的质量为M=0.3kg。将纸向右拉时有f =0.1N的摩擦力作用在球上。求该球球心加速度和从静止开始的2秒内,球心相对桌面移动的距离 解: 质心:球心 水平方向只受摩擦力作用 根据质心运动定律有 开始2秒内球心运动的

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