引入
为什么上山走缓坡和走陡坡,重力做功一样?
为什么摩擦力做功就必须看走了哪条路?
为什么只有“保守力”才能定义势能?
这三个问题指向同一个区分:力做功是否依赖路径。保守力与耗散力的分界,决定了能不能引入势能这一概念。
正文
定义
保守力是做功只与初末位置有关、与路径无关的力。
等价表述:沿任意闭合路径做功为零。
保守力场
定义
若系统内所有作用力都是保守力,该系统称为保守系统(守恒系统)。
保守系统的机械能守恒,因为没有任何力把机械能转化为内能。
常见保守力
共同点:这些力都只依赖位置,不依赖速度,也不依赖路径。
非保守力
| 力 | 为什么不保守 |
|---|---|
| 摩擦力 | 做功与路径长度成正比,路径越长做功越多 |
| 空气阻力 | 同上,且方向总与速度相反 |
| 推拉力(外力) | 做功取决于具体过程,不一定能写成位置函数 |
摩擦力沿闭合路径一周做功不为零,所以不能定义“摩擦势能”。
保守力与势能的关系
保守力做功等于势能变化的负值:
反过来,已知势能函数可以求保守力:
一维情形下:
这个式子说明:势能曲线的斜率(取负)就是力。势能最低点对应平衡位置,斜率不为零处有回复力。
判断方法
判断一个力是否保守,有三种等价方法:
- 计算沿两条不同路径做的功,看是否相等。
- 计算沿闭合路径做的总功,看是否为零。
- 看能否写出对应的势能函数。
实际做题时,最常用的是第一条:比较不同路径的功。
引出
为什么势能只能对保守力定义?摩擦力做功对应的能量去哪了?
势能曲线的最低点、拐点和渐近线分别对应什么物理意义?
非保守系统能否用“广义势能”处理?