保守力并非力的名称,例如重力、摩擦力等。保守力描述的是力的性质。如果力作用于物体期间(从物体远离其初始位置到物体返回初始位置)所做的总功为零,则该力为保守力。如果力作用于物体所做的功与物体的运动路径无关,而仅取决于物体初始位置和最终位置的变化,则该力被称为保守力。
如果你已经理解了物理学中的“功”的概念,那么保守力的概念就更容易理解了。请学习以下两个例题,以理解保守力的概念。
示例 1
考虑一个物体垂直向上运动,然后该物体垂直向下运动回到其原始位置。
当物体向上运动时,物体的位移方向向上,而重力或重量(w)的方向向下。物体位移的方向与重力的方向相反,因此重力做负功。
W 1 = F s = wh (cos 180) = wh (-1) = – wh = – mgh
当物体向下运动回到其原始位置时,物体的位移方向向下,重力方向也向下。物体的位移方向与重力方向相同,因此重力做正功。
W 2 = F s = wh (cos 0) = wh (1) = wh
物体在上升和下降过程中,重力对物体所做的总功为零。
总W = W1 + W2 = – wh + wh = 0
例如,物体的质量 (m) = 1 kg,重力加速度 (g) = 10 m/s² ,高度 (h) = 1 米,则 W₁ = -10 焦耳,W₂ = 10 焦耳。总功 = -10 焦耳 + 10 焦耳 = 0。
示例 2
想象一个物体从山谷移动到山顶,然后再返回山谷。
只要物体在斜面上运动,只有重力的水平分量(w sin θ)对物体做功。当物体从斜面的谷底运动到顶部时,位移方向与重力的水平分量(w sin θ)方向相反,因此重力做负功。
物体从山谷运动到山顶时,重力对其所做的功。
W 1 = – F s = – (w sin theta)(s) = – ws sin theta
因为 sin θ = h / s 或 h = s sin θ,所以上面的公式变为
W 1 = – wh = – mgh
当物体从山顶移动到山谷时,位移方向与重力的水平分量方向相同,因此重力做正功。
W 2 = wh = mgh
全力以赴
Wtotal = – mgh + mgh = 0
例如,物体的质量 (m) = 1 kg,重力加速度 (g) = 10 m/s² ,高度 (h) = 1 米,则 W₁ = -10 焦耳,W₂ = 10 焦耳。总功 = -10 焦耳 + 10 焦耳 = 0。
根据例 2 中使用的公式,可以得出结论:当物体沿斜面移动距离 s 时,重力对物体所做的功与当物体垂直移动距离 h 时,重力对物体所做的功相同。
因此,引力所做的功与运动路径无关,而只取决于高度变化。换句话说,引力所做的功只取决于物体的初始位置和最终位置。
这两个例子表明,万有引力是一种保守力。一个力是保守力需要满足两个条件。首先,在物体从初始位置运动到最终回到初始位置的整个过程中,力对物体所做的总功为零(参见例1)。其次,力对物体所做的总功与物体的运动路径无关,而与物体位置的变化有关(参见例2)。
保守力包括万有引力、电力、磁力等。
示例 3
库仑力和万有引力都是保守力。
因为
库仑力和万有引力与距离的平方成反比。
讨论
电力和引力都是保守力,这并非因为它们的大小与距离的平方成反比。它们之所以是保守力,是因为在这两种力的作用下,物体移动所做的功与物体的运动路径无关,而只取决于物体的初始位置和最终位置。
如果一个力对物体所做的功……则该力是保守力。
(1)仅取决于初始状态和最终状态
(2)与物体势能的变化相同
(3)与运动轨迹的形状无关
(4)不依赖于势能的变化
讨论
如果一个力对物体所做的功是保守的,那么这个力就是保守力。
(1)仅取决于初始状态和最终状态
(3)与运动轨迹的形状无关