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1700977568 有些力的结构受参考系制约,它们的保守性只能在部分惯性系中讨论.例如在惯性系S中两个点电荷的运动速度都远小于真空光速时,各自所受的电作用力可近似处理成库仑力,在S系中构成一对保守性的作用力与反作用力.其他惯性系Si,只要相对S系运动速度也远小于真空光速,那么在Si系中这一对力仍是保守性的.
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1700977570 非保守性的一对作用力与反作用力也是存在的,摩擦力便是一例.
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1700977572 力的保守性讨论从单个力开始,考虑到客观世界中力总是成对出现的,本质上更需讨论的应是一对作用力与反作用力的保守性.尽管如此,有时在一个参考系中形式上保留单个力的保守性,在处理问题时会有方便之处.例如某惯性系中,静电场内一个点电荷q所受力F,可以还原为q受各个场源点电荷Qi的库仑力Fi之和,Fi便是第i对保守性作用力与反作用力中的一个力.实际上,电学中是按近距作用观点将F直接处理成静电场施于q的力,这单个力具有保守性.于是仿照后文所述内容,可为q引入电势能,进而为静电场引入电势这一重要的物理量.
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1700977574 3.2.2 势能
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1700977576 结合质点动能定理,惯性系S中一个保守力对质点所作功等于质点动能增量.现代人受科学背景的感染,已普遍建立起了这样的理念:增加的对方是减少.某人走出银行大门时,倘若口袋里多了几千元钱,可能性较大的是银行柜台内少了这几千元钱.在惯性系S中,质点的动能增加可通过保守力作功来实现,保守力作功量又是由前后两个位置的改变确定,可以设想质点在S系的每一个位置都有一种由该位置确定的作功能力,称为势能(或位能),记为Ep(r).整理后,可得这样的关系:
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1700977578 质点从ra到rb:势能减少量=保守力作功量=动能增加量,
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1700977588 其中“势能减少量=动能增加量”便是守恒理念.
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1700977590 “势能减少量=保守力作功量”,给出了势能差的计算途径.质点在无穷小位移dl中若受保守力F,那么质点在其间的势能减少量为
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1700977595 积分得
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1700977600 其中a到b的路径可任选.(3.20)式可确定任意两个点位置间的势能差,如果再设定某一点位置的势能取零,便可相对地确定所有其他点位置的势能值.势能零点具有任选性,如果可能,常选F=0点为势能零点.
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1700977602 ● 重力势能
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1700977604 取地面系,讨论范围内无重力为零的点,视方便选定某点重力势能为零,该点所在水平面σ0上所有点的重力势能便都为零,于是经常省略地说成取某水平面σ0的重力势能为零.据(3.3)和(3.20)式,质量m的质点在水平面σ0上方h处具有重力势能
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1700977609 质点在σ0下方时,h<0,上式仍适用.
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1700977611 在地面附近相对地面系平动的惯性系中,重力仍是保守力,质点m在那些惯性系中的重力势能仍取(3.21)式表述.
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1700977613 质点系各质点重力势能之和称为质点系重力势能.质点系存在一个重心,将质点系各质点所受重力平移到重心处,求和后对应的重力势能即为质点系重力势能.质量分布和几何形状都是对称的物体,重心在它的中心位置,例如匀质球体、匀质球壳、匀质圆柱体(包括圆板、细杆、细绳)匀质长方体(包括长方板)的重心都在各自中心.一般质点系的重心位置与质点系的质心位置重合,质心将在第5章中介绍.
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1700977615 ● 弹性势能
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1700977617 在任一惯性系中,图3-2所示的弹性力是保守力.图中直弹簧无形变时右端物块受弹性力为零,取该位置为弹性势能零点,据(3.4)和(3.20)式,物块在x位置时的弹性势能为
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