保守力並非力的名稱,例如重力、摩擦力等。保守力描述的是力的性質。如果力作用於物體期間(從物體遠離其初始位置到物體返回初始位置)所做的總功為零,則該力為保守力。如果力作用於物體所做的功與物體的運動路徑無關,而僅取決於物體初始位置和最終位置的變化,則稱該力為保守力。
如果你已經理解了物理學中的「功」的概念,那麼保守力的概念就更容易理解了。請學習以下兩個例題,以理解保守力的概念。
例 1
考慮物體垂直向上運動,然後物體垂直向下運動回到原始位置。
當物體向上移動時,物體的位移方向向上,而重力或重量(w)的方向向下。物體位移的方向與重力的方向相反,因此重力做負功。
W 1 = F s = wh (cos 180) = wh (-1) = – wh = – mgh
當物體向下移動回到原始位置時,物體的位移方向向下,重力方向也向下。物體的位移方向與重力方向相同,因此重力做正功。
W 2 = F s = wh (cos 0) = wh (1) = wh
物體在上升和下降過程中,重力對物體所做的總功為零。
總W = W1 + W2 = – wh + wh = 0
例如,物體的質量 (m) = 1 kg,重力加速度 (g) = 10 m/s² ,高度 (h) = 1 米,則 W₁ = -10 焦耳,W₂ = 10 焦耳。總功 = -10 焦耳 + 10 焦耳 = 0。
例 2
想像一個物體從山谷移動到山頂,然後再回到山谷。
只要物體在斜面上運動,就只有重力的水平分量(w sin θ)對物體做功。當物體從斜面的谷底移動到頂部時,位移方向與重力的水平分量(w sin θ)方向相反,因此重力做負功。
當物體從山谷運動到山頂時,重力對其所做的功。
W 1 = – F s = – (w sin theta)(s) = – ws sin theta
因為 sin θ = h / s 或 h = s sin θ,所以上面的公式變成
W 1 = – wh = – mgh
當物體從山頂移動到山谷時,位移方向與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,物體的質量 (m) = 1 kg,重力加速度 (g) = 10 m/s² ,高度 (h) = 1 米,則 W₁ = -10 焦耳,W₂ = 10 焦耳。總功 = -10 焦耳 + 10 焦耳 = 0。
根據範例 2 中使用的公式,可以得出結論:當物體沿著斜面移動距離 s 時,重力對物體所做的功與當物體垂直移動距離 h 時,重力對物體所做的功相同。
因此,引力所做的功與運動路徑無關,而只取決於高度變化。換句話說,引力所做的功只取決於物體的初始位置和最終位置。
這兩個例子表明,萬有引力是一種保守力。一個力是保守力需要滿足兩個條件。首先,在物體從初始位置移動到最終回到初始位置的整個過程中,力對物體所做的總功為零(參見例1)。其次,力對物體所做的總功與物體的運動路徑無關,而與物體位置的變化有關(參見例2)。
保守力包括萬有引力、電力、磁力等。
例 3
庫侖力和萬有引力都是保守力。
因為
庫侖力和萬有引力與距離的平方成反比。
彭巴哈桑
電力和引力都是保守力,這並非因為它們的大小與距離的平方成反比。它們之所以是保守力,是因為在這兩種力的作用下,物體移動所做的功與物體的運動路徑無關,而只取決於物體的初始位置和最終位置。
如果一個力對物體所做的功……則該力是保守力。
(1)只取決於初始狀態和最終狀態
(2)與物體位能的變化相同
(3)與運動軌跡的形狀無關
(4)不依賴位能的變化
彭巴哈桑
如果一個力對物體所做的功是保守的,那麼這個力就是保守力。
(1)只取決於初始狀態和最終狀態
(3)與運動軌跡的形狀無關