Tuesday, September 11, 2012

数学上的这种等价性要求力必须是场函数,沿闭合路径做功为零的力称为保守力

浅议保守力和非保守力的定义


陈洛恩

􀀁 师家成􀀁

(

玉溪师范学院物理与教育技术系, 云南玉溪653100)

[

关键词] 保守力; 非保守力; 定义

[

􀀁 ] 对保守力和非保守力定义的两种表述的等价性进行了分析研究, 认为其中一种表述

更为准确和严密

.

[

中图分类号] O313􀀁 [ 文献标识码] A 􀀁 [ 文章编号] 1009- 9506( 2002) 03- 0056- 02

On Definitions of Conservative Force & Non

- conservative Force

CHEN Luo- en
􀀁 SHI Jia- cheng

(

Physics Dept . Of Yuxi Teachers􀀂 College, Yuxi 653100, Yunnan)

Key Words

: conservative force; non- conservat ive force; definitions

Abstract

: Analyzing & studying the equivalence of the two definitions of conservative force& non- con􀀁

servative force, this paper considers one of the def init ions more accurate & more rigorous.


保守力和非保守力是研究一个力学体系的两个重要概念

, 前者不会引起孤立系统机械能的变化, 后者则

可能导致系统的机械能与其它运动形态能量的交换

. 在现行的众多力学教科书中, 对两者的定义一般有两种

表述方法

. 第一种为: 做功由初末位置决定, 而与所沿路径无关的力称为保守力. 做功与具体路径有关的力称

为非保守力

. 第二种表述为: 沿闭合路径做功为零的力称为保守力, 沿闭合路径做功不为零的称为非保守力.

一般认为这两种表述是等价的

, 因为数学上有 若线积分与路径无关, 则其环量为零, 反之亦然!的结论; 另一

方面

, 就非保守力中的一个典型例子∀ ∀ ∀ 滑动摩擦力做功而言, 它沿闭合路径所做的功确实不为零, 而且 实

验表明

, 在同样的接触条件下, 质点运动所走的路线越长, 摩擦力的功的绝对值越大. !数学结论和物理实验

的一些事实使人们对这种等价性深信不疑

.

然而

, 数学上的这种等价性要求力必须是场函数, 若不是场函数, 未必有等价性; 另一方面, 物理中有关

摩擦力做功的实验极为有限

, 而摩擦力又是一个由动力学方程决定的物理量, 因而, 应存在着这样的可能性,

当作用在物体上的主动力取某个恰当的力函数时

, 作用在该物体上的摩擦力做的功与路径无关.

如图所示

, 一个质量为m 的小滑块, 在切向外力F 的作用下自A 点开始由静止沿图中半径为R 的竖直

圆周轨道运动

, 设小滑块与圆周轨道的摩擦系数为􀀁. 又设F 的切向投影为:

F

= ( a- g ) mcos􀀂+ ( 2a+ g) 􀀁msin 􀀂,

式中

g 为重力加速度, a 是一个与g 量纲相同的正常数, m 为小滑块的

质量

, 􀀂为小圆环在任一位置时的运动方向与重力方向的夹角. 现要求小滑

块运动至

B 点时摩擦力f 做的功.

取圆周轨道所在平面为惯性系

o- xy , A, B 两点的直角坐标和小滑块

在任一位置

P 时的受力如图中所示. 设小滑块的速度为v, 则其牛顿运动微

分方程为

:

􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

F + mgcos􀀂- f = m

dv

dt


( 1)


􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

N- mg sin􀀂= m

v


2


R


( 2)


􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

f = 􀀁N ( 3)

#

56 #

玉溪师范学院学报􀀁 第

18 卷􀀁 2002 年􀀁 第3

Journal of Yuxi Teachers College Vol. 18 No. 3 Jun. 2002


􀀁

[ 收稿日期] 2002- 03- 24

􀀁 􀀁

[ 作者简介] 陈洛恩( 1956- ) , , 云南思茅人, 博士, 教授, 主要从事力学教学及研究.


( 1) ( 3) , 得到v 关于t 的微分方程:

􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

dv

dt


=

acos􀀂+ 2a􀀁sin 􀀂- 􀀁v

2


R


( 4)


解之得

:

􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

v

2

= 2aR sin􀀂 ( 5)

􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

f = 􀀁m( 2a+ g) sin􀀂 ( 6)

于是

, 小滑块自A 点沿圆周轨道运动至B 点时f 做的功为:

􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

W= B

A


􀀂

f #d􀀂 r = - B

A


fds

= - B

A


􀀁

m( 2a + g) sin􀀂#ds

􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁 􀀁

= 􀀁m( 2a+ g ) A

B


ds

#sin􀀂= 􀀁m( 2a+ g ) x

1


x


2


dx

= 􀀁m( 2a + g) ( x 1- x 2 ) ( 7)

由于在上述问题中没有对半径

R 作出任何限制, 因而( 7) 式的结论对圆心在AB 的中垂线CD 上且连接

AB

两点的任何半径的圆弧轨道均成立. 它表明, 当切向力F 取某些值时, 滑动摩擦力的功确实只与初末位

置有关

, 而与小滑块运动的路径无关. 而且, 这样的F 也不止一个, a 取不同的正数, 将给出不同的切向


. 容易看出, 当连接AB 点的轨道不是圆弧时, 仍可找到恰当的F , 它可使摩擦力做的功与路径无关.

尽管该摩擦力做的功与路径无关

, 但当小滑块自B 点反向运动到A 点时, 摩擦力也在轨道的各点上与


A B 时的方向反向, 其功仍为负, 导致该摩擦力沿闭合路径的功不为零.

由此我们得到下述结论

: ( 1) 对于保守力, 两种表述是等价的; 但对非保守力而言, 两种表述不一定等价.

( 2)

就准确和严密性而言, 我们认为第二种表述优于第一种表述. 因为做功与路径无关时, 沿闭合路径的功可

能为零

, 也可能不为零.

[

􀀁 􀀁 􀀁 ]

[ 1]

􀀁 梁绍荣等. 普通物理学( 第一分册, 力学第二版) [M] . 北京: 高等教育出版社, 1995. 95~ 98, 167.

[ 2]

􀀁 赵凯华, 罗蔚茵. 力学( 新概念物理教程) [M] . 北京: 高等教育社, 1995. 69~ 73, 115~ 117.

[ 3]
􀀁 陈洛恩等. 摩擦力做功与 路径无关!一例[ J] . 物理通报, 2000, ( 9) : 42.

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