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1、4.4 功和功率441功的概念sF0图4-4-1力和力的方向上位移的乘积称为功。即 式中是力矢量F与位移矢量s之间的夹角。功是标量，有正、负。外力对物体的总功或合外力对物体所做功等于各个力对物体所做功的代数和。 对于变力对物体所做功，则可用求和来表示力所做功，即 也可以用F=F（s）图象的“面积”来表示功的大小，如图4-4-1所示。 由于物体运动与参照系的选择有关，因此在不同的参照系中，功的大小可以有不同的数值，但是一对作用力与反作用力做功之和与参照系的选择无关。因为作用力反作用力做功之和取决于力和相对位移，相对位移是与参照系无关的。值得注意的是，功的定义式中力F应为恒力。如F为变力中学阶段常
2、用如下几种处理方法：（1）微元法；（2）图象法；（3）等效法。442. 几种力的功下面先介绍一下“保守力”与“耗散力”。 具有“做功与路径无关”这一特点的力称为保守力，如重力、弹力和万有引力都属于保守力。不具有这种特点的力称为非保守力，也叫耗散力，如摩擦力。（1）重力的功重力在地球附近一个小范围内我们认为是恒力，所以从高度处将重力为mg的物移到高处。重力做功为：，显然与运动路径无关。（2）弹簧弹力的功图4-4-2 物体在弹簧弹力F=-kx的作用下，从位置运动至位置，如图4-4-2（a）所示，其弹力变化F=F（x）如图4-4-2（b）所示则该过程中弹力的功W可用图中斜线“面积”表示，功大小为（3
3、）万有引力的功 质量m的质点在另一质量M的质点的作用下由相对距离运动至相对距离的过程中，引力所做功为 443.功率作用于物体的力在单位时间内所做功称为功率，表达式为求瞬时功率，取时间则为式中v为某时刻的瞬时速度，为此刻v与F方向的夹角45 动能 动能定理451 质点动能定理质量m的质点以速度v运动时，它所具有动能为: 动能是质点动力学状态量，当质点动能发生变化时，是由于外力对质点做了功，其关系是: W外=上式表明外力对质点所做功，等于质点动能的变化，这就是质点动能定理。452质点系动能定理 若质点系由n个质点组成，质点系中任一质点都会受到来自于系统以外的作用力（外力）和系统内其它质点对它作用力
4、（内力），在质点运动时，这些力都将做功。设质点系由N个质点组成，选取适当的惯性系，对其中第i个质点用质点动能定理外+内=对所有n个质点的动能定理求和就有 外+内= 若用W外、W内、分别表示外、内、则上式可写成W外+ W内=-由此可见，对于质点系，外力做的功与内力做的功之和等于质点系动能的增量，这就是质点系动能定理。和质点动能定理一样，质点系动能定理只适用于惯性系，但质点系动能定理中的W内一项却是和所选的参照系无关的，因为内力做的功取决于相对位移，而相对位移和所选的参照系是无关的。这一点有时在解题时十分有效。46 势能461 势能 若两质点间存在着相互作用的保守力作用，当两质点相对位置发生改变时
5、，不管途径如何，只要相对位置的初态、终态确定，则保守力做功是确定的。存在于保守力相互作用质点之间的，由其相对位置所决定的能量称为质点的势能。规定保守力所做功等于势能变化的负值，即 W保=。（1）势能的相对性。 通常选定某一状态为系统势能的零值状态，则任何状态至零势能状态保守力所做功大小等于该状态下系统的势能值。原则上零势能状态可以任意选取，因而势能具有相对性。（2）势能是属于保守力相互作用系统的，而不是某个质点独有的。（3）只有保守力才有相应的势能，而非保守力没有与之相应的势能。462 常见的几种势能（1）重力势能 在地球表面附近小范围内，mg重力可视为恒力，取地面为零势能面，则h高处重物m的
6、重力势能为 （2）弹簧的弹性势能 取弹簧处于原长时为弹性势能零点，当弹簧伸长（压缩）x时，弹力F=-kx，弹力做的功为 由前面保守力所做功与势能变化关系可知 （3）引力势能 两个质点M、m相距无穷远处，规定，设m从无穷远处移近M，引力做功W，由于F引=，大小随r变化，可采用微元法分段求和方式。如图4-5-1，取质点n由A到B，位移为，引力做功很小，、差异很小，则由无穷远至距r处，引力功W为 图4-6-1开始时，最后相对距离为=r又有 质点与均匀球体间引力势能，在球体外，可认为球体质量集中于球心，所以引力势能为 rR R为球半径 质量M，半径为R的薄球壳，由于其内部引力合力为零，故任意两点间移动
7、质点m，引力均不做功，引力势能为恒量，所以质量m质点在薄球壳附近引力势能为 = 3.6 万有引力 天体的运动361、万有引力任何两个物体间存在一种称为万有引力的相互作用力。万有引力是自然界中已发现的四种相互作用（万有引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用）之一。两个质点间的万有引力，其大小与两质点的质量乘积成正比，与两质点距离的平方成反比，方向沿两质点的连线方向，其表示式为式中G称为万有引力常量，其值为万有引力公式只适用于质点，当物体的几何线度不能忽略时，可以把它们分割成线度可略的小部分，两物体间每一小部分之间的万有引力的合力便就是两物体间的万有引力。可以证明两个质量均匀的球体之间
8、的引力。可以用万有引力定律计算，只是计算式中的r为两球心间的距离。质量为m的均匀分布的球壳对球壳外任一质点的万有引力，等于质量为m的质点处于球心处与该质点间的万有引力，它对球壳内的任一质点的万有引力则为零。测得的地球表面上物体所受到的重力，是地球对物体引力的一个分量，由于地球并不严格是个球体，质量分布也不均匀，加之地球的自转运动，使得同一物体，在地球表面不同位置处受到的重力略有不同。万有引力定律的应用天体表面的重力加速度g：设天体质量为M且均匀分布，天体为圆球体且半径为R，物体质量为m，则 故 关于天体质量和平均密度的计算：设质量为m的行星绕质量为M的恒星作匀速圆周运动的公转，公转的半径为r，
9、周期为T，由牛顿定律，恒星对行星的万有引力就是行星绕恒星作匀速圆周运动的向心力，故有由此可得恒星的质量为设恒星的球半径为R，则它的平均密度为这个公式也适用于卫星绕行星作圆周运动的情况。如设近地人造卫星的周期为T，因有，上式就可以写成这就很容易求出地球的平均密度了。362、天体的运动开普勒根据前人积累的行星运动观察资料。总结出关于行星运动的三定律开普勒三定律。第一定律：行星围绕太阳的运动轨道为椭圆，太阳在椭圆的一个焦点上。图3-6-1第二定律：行星与太阳的连线在相等时间内扫过相等的面积。下面举一个例子详加说明：为用数学式子表述第二定律，设径矢r在时间内扫过的面积为，则面积速度为，由图3-6-1可
10、知，故面积速度为常量式中v为行星运动的线速度，为径矢r与速度v方向之间的夹角。当行星位于椭圆轨道的近日点或远日点时，速度v的方向与径矢r的方向垂直，即=90，故第三定律：各行星绕太阳运动的周期平方与轨道半长轴立方的比值相同，即 开普勒定律不仅适用于行星绕太阳的运动。也适用于卫星绕行星的运动。当半长轴a与半短轴b相等时，椭圆成为圆。由开普勒第二定律可知，圆轨道运动必为匀速圆周运动，万有引力提供向心力。对于绕地球作半径为r的匀速圆周运动的卫星，由牛顿第二定律和万有引力定律可得根据地球表面物体重力与引力的关系R为地球半径卫星速率为对于贴着地球表面运行的卫星。这就是第一宇宙速度，也就是发射卫星必须具有
11、的最小速度利用能量关系，可求出从地球表面发射的宇宙飞般，为能挣脱地球引力的束缚，其发射速度必须满足称为第二宇宙速度。下面举一个例子详加说明：新发现一行星，其星球半径为6400km，且由通常的水形成的海洋覆盖着它的所有表面，海洋的深度为10km。学者们对该行星进行探查时发现。当把试验用的样品浸入行星海洋的不同深度时，各处的自由落体加速度以相当高的精确度保持不变，试求这个行星表面处的自由落体加速度。已知万有引力常数为 。解1：如图3-6-2以R表示此星球（包括水层）的半径，M表示其质量，h表示其表层海洋的深度，r表示海洋内任一点A到星球中心O的距离，表示除表层海洋外星球内层的半径。则有，且，以表示
12、水的密度，则此星球表层海洋中水的总质量为由于，故式可略去其中h的高次项面是近似写为根据均匀球体表面处重力加速度的公式，可得此星球表层海洋的底面和表面处的重力加速度分别为R0RrAOh图3-6-2依题述有,即整理上式可解得由于，故近似取2Rh-,则式可写为由和式得此星球表面的重力加速度为以G=、代入式，得解2：设行星的内层（即半径为的球体部分）的平均密度为，则可将该半径为的球体视为由一个均匀的水球（密度为、半径为）和一个密度为半径为的球叠加而成。则在水球壳层内的重力加速度应由这两个球分别产生的加速度叠加而成。如图3-6-2，对于水球壳层中的任一点A，以表示上述水球在该处形成的重力加速度，则有由上式可见，随r的增加而增加，当r增加为r+r时，的增加量为又以表示上述的密度为的球在A点产生的重力加速度，则有由上式可见，随r的增加而减少，当r增加为r+r时，的增加量（为一负值，表明其实际上是减少）为上式演算中利用了近似关系。由于要求在水层内重力加速度g为恒量，即不随r变化而变化，故应有即近似取r=，乃得则行星内层密度为由上可得此行星内外两层分界面处的重力加速度（亦即行星表面处的重力加速度）为