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机械能守恒定律

在一个明确选定的系统里,机械能是动能 K 与势能 U 之和。若所有参与做功的相互作用都已用保守势能表示,且没有外界额外做功或耗散,K+U 保持不变。物体下落时势能减少、动能增加,不能只看其中一项就判断“能量消失”。

从做功推到守恒

沿一条直线、质量 m 不变时,牛顿第二定律给 F=ma。由 a=(dv/dt) 与 dx=vdt,得到 Fdx=mvdv。从初态积分到末态,合力做功便是 Wnet=∫v1v2mvdv=12mv22−12mv12=ΔK. 这就是动能定理。对近地表面、以向上高度 h 为坐标的重力,重力做功 Wg=mg(h1−h2)。定义 Ug=mgh 后有 Wg=−ΔUg。若还有摩擦等未写入势能的力做功 Wother,则 Δ(K+Ug)=Wother. 所以“机械能守恒”是 Wother=0 的特例;能量总守恒并不意味着机械能总守恒。

从五米高处释放

教学算例中,质量 1kg 的小球从高度 5m 静止释放,取 g=9.8m/s2,忽略空气阻力。以地面为零势能面,初态有 U=49J,K=0,落地前有 U=0,K=49J,因此 v=2K/m=98≈9.90m/s。质量在 mgh=mv2/2 中约掉,说明这一理想模型里不同质量小球落地速度相同。

若空气阻力在下落过程中做功 −10J,则 Kfinal=49−10=39J,v=78≈8.83m/s。这十焦耳转入空气与小球的内能等形式,不能继续用 49J 算落地速度。

势能零点可自己选:若把桌面选作零点,球的 Ug 数值整体平移,但 ΔUg=mg(h2−h1) 不变,算出的速度也不变。对弹簧,另一个保守势能是 Us=12kx2;无耗散的弹簧振子模型里,12mv2+12kx2 保持常量。换了势能形式,先确认哪种相互作用被计入系统,不能同时把弹簧力做功和弹簧势能变化重复相加。

高五米处小球的势能为四十九焦耳、动能为零;落地前势能为零、动能四十九焦耳;旁示有阻力时末动能三十九焦耳
两条下降路径起点相同;有阻力路径的机械能少十焦耳。

参考资料