能量守恒定律课件.ppt

1、14.1.1 4.1.1 功功和功率和功率1、恒力做功、恒力做功Fr2、变力做功、变力做功元功：元功：cos|dAFdrdAF dr总功：总功：()BALAdA()BALF dr|drds()cosBALAFds()cos|BALFdr第四章第四章 动能定理动能定理 功能原理功能原理 机械能守恒定律机械能守恒定律ABFdr4.1 4.1 动能定理动能定理cos|AFr212NFFFFBAAFdr12()BNAFFFdr12BBBNAAAFdrFdrFdr12ABABNABAAA 合力的功等于各分力沿同一路径所做功的代数和合力的功等于各分力沿同一路径所做功的代数和计算力对物体做功时，计算力对物体

2、做功时，必须说明是必须说明是哪个力对物体沿哪条哪个力对物体沿哪条路径所做的功。路径所做的功。3、合力的功、合力的功34 4、功功 率率 tAPdtrdFPFv平均功率平均功率瞬时功率瞬时功率dtdAtAPt0lim 瞬时功率等于力在速度方向的分量和速度大小的乘积。瞬时功率等于力在速度方向的分量和速度大小的乘积。4 例例 1 一个质点在几个力的作用下的位移为一个质点在几个力的作用下的位移为 mkjir)654(其中一个力为恒力其中一个力为恒力,)953(NkjiF则这个力在该位移过程中所做的功为多少？则这个力在该位移过程中所做的功为多少？解：解：lAF dr)953()654(kjikjirF)

3、(67542512J()lFdr5 例例 2.如图所示，一质点在几个力的作用下，沿半径为如图所示，一质点在几个力的作用下，沿半径为 R 的的圆周运动，其中一个力是恒力圆周运动，其中一个力是恒力 F0,方向始终沿方向始终沿 x 轴正方向，即轴正方向，即iFF00 当质点从当质点从 A 点沿逆时针方向走过点沿逆时针方向走过 3/4 圆周到达圆周到达 B点时，点时，0F所做的功为所做的功为xRABslO1350解：解：rdFdA00()lFdr0FS002cos135FR0lAF dr0cosF S0F R 64.1.2 4.1.2 动能定理动能定理BABAAFdr合合由由dFmamdt合v代入上式

4、代入上式BABAdAmdrdt合vBAdrmddtv()BAmd v v因为：因为：()ddvvvv()()ddd v vvvv v21()2BAmdv221122BAmmvv1.质点动能质点动能212kEmv或或22kpEm2()dvv1()2BAmd v v2.质点的动能定理质点的动能定理kBkAkABAEEE合适用于惯性系适用于惯性系()BAmdvv例：如图，求绳全部离开光滑桌面时的瞬时速率例：如图，求绳全部离开光滑桌面时的瞬时速率t t=0=0，v=0=0M M，L Lb bx xo o解：解：利用动能定理利用动能定理LbxAM gdxLxmMLdAmgdx由动能定理得：由动能定理得：

5、22gvLbL建立作坐标系，重力所作元功为：2221022Mg LbMvL2212LbM gL84.2.14.2.1、几种几种保守力保守力的功的功2L重力的功重力的功bardgmA 重力做功与路径无关重力做功与路径无关)()(21LbaLbardgmrdgm沿沿21hhmgdh12mghmgh 0Lmg dr21|coshhmg dr12()()baabLLmg drmg dr 沿沿h2h1hdhrrba1LgmrdO 4-2 保守力与非保守力保守力与非保守力 势能势能dAmg dr21|coshhmg dr9万有引力的功万有引力的功123Gm mfrr 0rrr0r为单位矢量为单位矢量120

6、2Gm mfrr LAfdr123()BArrLGm mr drr|cosr drr drrdr122()BArrLGm mdrr1212()()BAGm mGm mrr 1m2mrdrdrrdBrArr0rBALL101.任意两点间做功与路径无关任意两点间做功与路径无关,即即1BALfdrL1ABL22.沿任意闭合回路做功为沿任意闭合回路做功为 0.即即 12()BALABLLf drf drf dr2BALfdr沿任意回路做功为零的沿任意回路做功为零的力力或做功与具体路径无关的或做功与具体路径无关的力力都称为都称为保守力保守力0弹力的功弹力的功222111()22kxkx Ox1x2xkx

7、fkx 21xxxAfdx21()xxkxdx保守力保守力11保守力作功等于势能减少保守力作功等于势能减少.A B 点点PApBEE若选若选 B 为计算势能参考点为计算势能参考点,取取EpB=0势能势能相对量相对量:相对于势能零点的相对于势能零点的系统量系统量:是属于相互作用的质点共有的是属于相互作用的质点共有的BABAAf drpAABEApE(沿任意路径）沿任意路径）0BAfdr（势能点）(沿任意路径）沿任意路径）系统在任一位形时的势能等于它从此位形系统在任一位形时的势能等于它从此位形沿任意路径沿任意路径改变至改变至势能零点时保守力所做的功。势能零点时保守力所做的功。势能定义势能定义势能与

8、参考系无关势能与参考系无关(相对位移相对位移)4.2.24.2.2、势能、势能 势能曲线势能曲线12 引力势能引力势能:rmmGrEp21选选 处为零势点处为零势点弹性势能弹性势能:221xkxEp重力势能重力势能:mghhEppEr 引力势能引力势能pEx弹性势能弹性势能pEh重力势能重力势能选选 弹簧自然伸长位置为零势点弹簧自然伸长位置为零势点选选 h=0处处为零势点为零势点13 引力势能引力势能:rmmGrEp21弹性势能弹性势能:221xkxEp重力势能重力势能:mghhEp221rmmGdrdEfpkxdxdEfpmgdhdEfp引力引力弹性力弹性力重力重力由势能求保守力由势能求保守

9、力pABdEdAF dl势能定义势能定义cosFdllF dlpldEFdlpFE kjizyx(,)ppEE x y zpxEFx pyEFy pzEFz xyzFF iF jF k()pxyzijk E 保守力等于保守力等于势势能的负梯度能的负梯度144.3.1 质点系的动能定理质点系的动能定理对对n个质点组成的质点系：个质点组成的质点系：m1:对每个质点分别使用动能定理对每个质点分别使用动能定理1111kBkAAAAEE外1合内m2:22kBkAAAAEE2外2合2内mn:nkBnkAAAAEEn外n合n内1111nnnnikBikAiiiiiiAAEE外内注意：注意：内力内力能能改变系

10、统的改变系统的总动能总动能。但但不能不能改变系统的改变系统的总动量总动量。质点系的动能定理质点系的动能定理kAAE 外内4 4-3 3 功能原理功能原理 机械能守恒定律机械能守恒定律15相互作用的两个质点相互作用的两个质点m1和和m2作用力作用力 和反作用力和反作用力1f2f做功之和是否为做功之和是否为0？1122dAf drfdr21rOA1B1A2B2m1m21dr2dr1r2r1f2f12ff 221()dAfdrdr221()fd rr2121rrr221fdr221LLAdAfdr两个质点间的两个质点间的“一对力一对力”做功之和等于其中一个质点受的做功之和等于其中一个质点受的力力沿着

11、该质点相对于另一质点所移动的路径所做的功。沿着该质点相对于另一质点所移动的路径所做的功。一、一对力的功一、一对力的功系统内力系统内力16光滑光滑光滑光滑1f2f作用力作用力 做功是否为做功是否为0？1f做功之和是否为做功之和是否为0？反作用力反作用力 做功是否为做功是否为0？2f不光滑不光滑1f2f174.3.2 4.3.2 质点系的功能原理质点系的功能原理kAAE 外内由质点系动能定理由质点系动能定理因为因为pEA保内所以所以)(pkEEAA非保内外机械能机械能pkEEE 质点系的功能原理质点系的功能原理EAA非保内外kAAAE 外非保内保内18 4.3.34.3.3 机械能守恒定律机械能守

12、恒定律0AA外非保内时BAEE恒量机械能守恒定律机械能守恒定律EAA非保内外 根据根据质点系的功能原理质点系的功能原理一个质点系在运动中，当只有保守内力做功一个质点系在运动中，当只有保守内力做功 时，系统的机械能保持不变时，系统的机械能保持不变00AA外非保内（而且）A保内保内是是Ep与与Ek之间转化的手段和量度。之间转化的手段和量度。非保守内力作功：系统机械能与非保守内力作功：系统机械能与 能量间转换。能量间转换。194.44.4 三种三种宇宙速度宇宙速度 牛顿的牛顿的自然哲学的数学原理自然哲学的数学原理插图插图抛体的运动轨抛体的运动轨迹取决于抛体迹取决于抛体的初速度的初速度A20在地面发射

13、卫星时的机械能在地面发射卫星时的机械能21002eeM mEmGR v卫星环绕地球运行的机械能卫星环绕地球运行的机械能212eM mEmGr v22eM mmGrrv0212eeeGMRRrvrRgRee2122eeRGMg当当eRr 107.9/egRkm svv0Evr4.4.1 第一宇宙速度第一宇宙速度由牛顿第二定律和万有引力定律得由牛顿第二定律和万有引力定律得214.4.2 第二宇宙速度第二宇宙速度 脱离地球引力，成为太阳脱离地球引力，成为太阳的行星所需要的最小速度的行星所需要的最小速度 v22102eM mEmGE v202eeGMRvv当当0v21002eeM mEmGR vskm

14、gRe/2.112圆圆01vv椭圆椭圆02vv抛物线抛物线02vv双曲线双曲线02vv-逃逸速度逃逸速度2evv（3 3）第三宇宙速度第三宇宙速度 脱离太阳系所需要的最小速度脱离太阳系所需要的最小速度 v3 3skmrGMvSeS/2.4223 物体在地球上，物体在地球上，地球相对于太阳的速度约为地球相对于太阳的速度约为 29.8 km/s29.8 km/sskmv/4.128.292.423 脱离地球需要动能为脱离地球需要动能为:2221mv232122212321vmmvmv skmvvv/7.1623223 301.99 10SMkg111.49 10e srm（4）史瓦西半径）史瓦西半

15、径 或或 引力半径引力半径 rs；黑洞黑洞 若星体逃逸速度若星体逃逸速度 超过光速超过光速c，则任何物体则任何物体(包括光、电包括光、电磁波）都逃不出去，磁波）都逃不出去，相应半径叫史瓦西半径相应半径叫史瓦西半径 rs。crGMve2若星体若星体M集中在集中在rs内，则没有任何信息从星体中传递出来，内，则没有任何信息从星体中传递出来，这样的星体就是黑洞。这样的星体就是黑洞。evcrGMs224从普遍能量守恒观点：从普遍能量守恒观点：即：能量只能传递或转换，而不能创生。即：能量只能传递或转换，而不能创生。4.5 4.5 能量守恒定律能量守恒定律一个孤立系统经历任何变化时，该系统所有一个孤立系统经

16、历任何变化时，该系统所有能量的总和保持不变能量的总和保持不变能量守恒定律能量守恒定律功功和和能量的变化能量的变化相联系相联系，能量的变化能量的变化反映了系统反映了系统作功的本领。作功的本领。能量是运动状态的单值函数：和状态的一一对应性。能量是运动状态的单值函数：和状态的一一对应性。例、一个表面光滑的楔形物体，斜面长为例、一个表面光滑的楔形物体，斜面长为l，倾角为，倾角为，质量为质量为m m1 1，静止于一个光滑水平桌面上。今将一个质量，静止于一个光滑水平桌面上。今将一个质量为为m m2 2的物体放在斜面顶端，让它自由滑下，如图所示。的物体放在斜面顶端，让它自由滑下，如图所示。求当物体滑到桌面时

17、，楔形物体移动的距离和速度。求当物体滑到桌面时，楔形物体移动的距离和速度。m2m1分析：动量守恒定律适用于系统，系统选分析：动量守恒定律适用于系统，系统选择后，应当分清楚内力和外力，只有当系择后，应当分清楚内力和外力，只有当系统的合外力为零时，系统的动量才守恒。统的合外力为零时，系统的动量才守恒。动量守恒定律只适用于惯性系，系统内各动量守恒定律只适用于惯性系，系统内各质点的速度都是相对于同一个惯性系。质点的速度都是相对于同一个惯性系。如果以物体和斜面作为系统，它们在水平方如果以物体和斜面作为系统，它们在水平方向上不受外力，所以系统的水平分量动量守向上不受外力，所以系统的水平分量动量守恒。另外，

18、系统的机械能守恒，由此可以求恒。另外，系统的机械能守恒，由此可以求出斜面的滑行速度。出斜面的滑行速度。解：设楔形物体对地的速度为解：设楔形物体对地的速度为v v1 1，方向向左；物体，方向向左；物体m m2 2对对地的速度为地的速度为v v2 2，物体相对于楔形物体的速度为，物体相对于楔形物体的速度为u u，注意：，注意：u u的方向总是沿着斜面向下，如图。由于系统的水平方的方向总是沿着斜面向下，如图。由于系统的水平方向动量守恒，有向动量守恒，有 联立求得：联立求得：1 122210cosxxm vm vvuvv1v1uv2m22112cosmvumm 所以楔形物体向左移动的距离为：所以楔形物

19、体向左移动的距离为：在物体运动过程中，由于机械能守恒，有在物体运动过程中，由于机械能守恒，有 上面两式联立，求得：上面两式联立，求得：210012212coscosttmsv dtudtmmmlmm2221 12222221111sin222cosm glm vm vvvuv u而122221212122sin cos()(sin)m glvmmmm284-6 4-6 质心质心 质心运动定理质心运动定理 质心定义质心定义1iiicm rrm()iimm质质心心的的坐坐标标iiicm xxmiiicm yymiiicm zzm12cxab()2cmam abxm0 xyzm1m2micrc2r1

20、riroabmmcxx质量连续分布的质量连续分布的物体物体crdmrmcxdmxmcydmymczdmzm4.6.1 质心质心分量式分量式29MrmriiicccdrdtviiicmaaMPiiicmMvv质心速度质心加速度22ccd radtcPMv质心运动定理质心运动定理PFt外ddcFMt外vddcFMa外质点系的总动量质点系的总动量4.6.2 4.6.2 质心运动定理质心运动定理300外Fcv讨论讨论1）质点系动量定理微分形式）质点系动量定理微分形式积分形式积分形式3）若）若不变不变质心速度不变就是动量守恒质心速度不变就是动量守恒cFMa外PFt外dd210ttFtPP外d2）只要外力

21、确定，不管作用点怎样，质心的加速度就确定，只要外力确定，不管作用点怎样，质心的加速度就确定，质心的运动轨迹就确定，即质点系的平动就确定。质心的运动轨迹就确定，即质点系的平动就确定。（如抛掷的物体、跳水的运动员、爆炸的焰火等，其质心（如抛掷的物体、跳水的运动员、爆炸的焰火等，其质心的运动都是抛物线）。的运动都是抛物线）。系统系统内力内力不会影响质心的运动不会影响质心的运动系统的内力只改变系统内各个质点的运动状态。系统的内力只改变系统内各个质点的运动状态。质心抛物轨迹由外力决定，内力完成动作。质心抛物轨迹由外力决定，内力完成动作。一个质点系内各质点由于内力和外力的作用，它们一个质点系内各质点由于内

22、力和外力的作用，它们的运动情况可能很复杂，但质心的运动可能很简单，的运动情况可能很复杂，但质心的运动可能很简单，只由质点系所受的合外力决定只由质点系所受的合外力决定cFma外()dmdlakx dx解：以棒的一端为原点建立坐标解：以棒的一端为原点建立坐标，dx取一取一Xodxx0LcLoxdmxdm（棒长为（棒长为L）例：有一不均匀细棒，其密度与距其一端距离例：有一不均匀细棒，其密度与距其一端距离 成正比成正比 为常数，求其质心位置为常数，求其质心位置l ,akl l a23263axkLakL0()()LoLx akx dxakx dx例：求质量均匀的一半径为例：求质量均匀的一半径为R的半球

23、的质心位置的半球的质心位置。解：设半球的密度为解：设半球的密度为，将半球分割成许，将半球分割成许多厚为多厚为dx的圆并，任取其一的圆并，任取其一222()dVy dxRxdx22()dmdVRxdx2203()23RxRxdxR38crRixR0yzyxdxcxdmxdm38R例：例：一个半径为一个半径为R匀质薄圆板，在其上面挖去一个半径匀质薄圆板，在其上面挖去一个半径为为R/2小圆，小圆与薄板的圆周相切，求薄板剩余部分的小圆，小圆与薄板的圆周相切，求薄板剩余部分的质心位置。质心位置。oxy1oC解：解：由对称性，质心必在由对称性，质心必在y轴上，轴上，设质心位于设质心位于C点，点，y坐标为坐

24、标为 yc1202cRmm ym1202ccxm Rym 6cRy 35例例:一根完全柔软的质量均匀分布的绳子竖直地悬挂一根完全柔软的质量均匀分布的绳子竖直地悬挂着着,其下端刚刚与地面接触其下端刚刚与地面接触.让绳子从静止开始下落让绳子从静止开始下落,求下落所剩长求下落所剩长度为度为z时时,地面对这段绳子的作用力地面对这段绳子的作用力质心解法质心解法:01dzcmzzzmlddddcczzztltvddztv绳子上端的下落速度绳子上端的下落速度)(2zlgddgt vddddcczattlvv21zzggll绳子当作一质点系绳子当作一质点系22zlzlv2ddzlltvv32zggllmlzzzmgfaclzmgagmfc13)(