机械能守恒定律的概念
在一个只有重力或弹力做功的物体系统中(或没有其它外力作用于该物体系统中),物体系统的动能与势能(包括重力势能和弹性势能)互相转化,但机械能的总能量保持不变。这个定律叫做机械能守恒定律。
机械能守恒定律()是动力学中的一个基本定律,即任何一个物体系统,如果没有外力做功,系统中只有保守力(见势能)在做功,那么系统的机械能(动能与势能之和)保持不变。外力所作的功为零,表示没有从外界输入机械功;只有保守力在做功,即只有动能与势能转化,没有机械能转化为其他能量。满足这两个条件的机械能守恒定律,对所有的惯性参考系都成立。这个定律的简化表述是:当一个质点(或一个质点系统)在势场中运动时,它的动能与势能之和保持不变;或者当一个物体在重力场中运动时,它的动能与势能之和保持不变。这个表述暗示着产生势场的物体(如地球)的动能变化可以忽略不计。 这只在一些特殊的惯性参考系如地球参考系中才成立。如图所示,如果忽略一切阻力和能量损耗,滚摆只受重力作用。在这种理想情况下,重力势能与动能相互转化,机械能不变,滚摆会继续上下运动。
机械能守恒定律的守恒定律
机械能守恒的条件是:系统中只有弹力或重力所作的功。【即忽略摩擦造成的能量损失,所以机械能守恒也是理想化的物理模型】,是系统中机械能的守恒。一般做题的时候,机械能是不守恒的,但是可以利用能量守恒,比如把损失的能量补回来。
由功函数关系=△可知,机械能守恒的更一般的条件应该是系统外部的力所作的功为零。
当系统不受外力作用或受到外力所作的功的总和为零时,系统的总动量保持不变,这称为动量守恒定律。
只有当动能与势能(包括重力势能和弹性势能)相互转化时,机械能才守恒。
机械能守恒定律的三种表述1.从能量守恒定律的角度
选取一个平面作为零势能面,系统在终态的机械能等于初态的机械能。
2.从能量转换角度
当系统的动能与势能相互转化时,如果系统势能的减少量等于系统动能的增加量,则系统的机械能守恒。
3.从能量传递角度
系统中有A、两个或多个物体,若A的机械能减少量等于机械能增加量,则该系统的机械能守恒。
以上三种表达方式各有特点,在不同情况下,应选择合适的表达方式动能定理表达式,灵活运用,不要拘泥于其中一种,这样解题就会变得简单快捷。
典型事例分析
例1:如图所示,小球A、B、C,质量均为m,用两根长L的轻绳连接,放在高为h的光滑水平面上,L>h。A球刚越过桌子边缘。若A、B球相继落地,不反弹,求C球刚离开桌子边缘时的速度。
分析:
思路1:将地面作为零势能面。
设A球落地时的速度为v1,从A球开始运动到落地期间,A、B、C三球组成的系统的机械能守恒,有:
设B球落地时的速度为%,从A球落地到B球落地的过程中,B球和C球组成的系统的机械能守恒,有:
这个速度就是C球离开桌子边缘的速度。
这是从守恒角度出发的公式,把系统在初态和终态的动能和势能分别写出来,然后求解方程动能定理表达式,思路清晰,简单易行,需要注意的是,能量一定要一一搞清楚,不要遗漏任何细节。
思路2:当球A落到地面时,系统的势能减少,系统的动能增加
根据机械能守恒定律:
太阳坠落地面过程中,系统势能减少mgh,系统动能增加
根据机械能守恒定律:
这是从势能和动能转化的角度讲的公式,思路也很清晰,需要注意的是势能的减少或者动能的增加都是有规律的,并不是某一物体的。
机械能守恒定律公式总结
所做功:W = FS·COS 是力与位移之间的角度
重力所作的功:GW = mgΔhΔh 是物体初始位置和最终位置之间的高度差
重力势能:pE=mghh是物体重心相对于零势能面的高度
重力所作的功与重力势能的变化量的关系为:GW=-ΔpE,即重力所作的功与重力势能的变化量相反。
弹性势能:
,L 是弹簧的变形
弹力所作的功与弹性势能的关系为:FW=-ΔpE,即弹力所作的功的变化量与弹性势能的变化量相反。
动能定理:
即总外力所做的功等于动能的变化
计算合成外力所作功的方法有两种:1)先计算合成外力F,再计算合成F·S·COS
2)首先计算每个分力所做的功,然后求和,W1+W2+W3…
机械能守恒定律:条件:只有重力和弹力做功
公式:=即初始总机械能等于最终机械能
变形公式:ΔEk=-ΔEp,即动能的变化与势能的变化相反。
如果系统A和B的机械能守恒:
1)
也就是说,开始时的总机械能等于结束时的总机械能
2)
也就是说,总动能的变化与总势能的变化相反。
3)
也就是说,A的总机械能的变化与B的总机械能的变化相反。
能量守恒定律:=即开始时的总能量等于结束时的总能量
机械能变化:
1)W=ΔE,即系统中除重力和弹力外的其他力所作的功的量为机械能的变化量(即其他力给原系统赋予能量或消耗原系统的能量)
2)摩擦功对机械能的影响:即摩擦力乘以相对位移等于产生的热量(内能),这是机械能的损失。