重讀《費曼物理學講義》第十三章功與勢能

2021-01-14 科學有趣

這本講義的第十三章和十四章,關於功與勢能的內容,是大學物理學課程中力學部分很重要的章節。在大學物理學課程上,這些內容一般會佔到力學部分三分之一的時間,這些章節中會有一些數學令同學害怕和厭煩,但它們並不難,需要認真體會。

在《費曼物理學講義》中,這一章從落體的能量開始,講到引力做功,再講到系統的機械能守恆,最後講到無限大平板的引力場。開始的第一節中,落體所受的力是恆力mg;第二節中萬有引力的大小與r(兩個物體的間隔)的平方成反比;第三節中談到的系統,就不止一個粒子的機械能了,粒子間會有相互作用;第四節無限大平板是推廣了一個質點的引力勢能的結果。

從最簡單的例子開始討論,過度到越來越一般的情形,這是典型的理論物理學家的思維。

13-1 落體的能量

這一節的討論限定的範圍是物體只受到重力mg的作用,費曼用牛頓第二定律來證明,

藉助牛頓第二定律,把上式兩邊對時間微分,就會得到動能對時間的變化率即重力乘以物體的速率,即重力做功導致了物體動能的變化,即是機械能守恆。在一般的大學物理學課本上,可以把這個作為動能定理(合外力對質點所做的功改變質點的動能,而功的數值就是動能的增量)的特殊例子。

補充一句話,在這本書的(13.6)和(13.7)式間,如果加上一些點乘是符合交換律的討論就更好了。

13-2 引力做的功

運用動能的變化等於力在力方向上位移的積分,可以得到

通過這個等式,可以得到圍繞一個固定物體的閉合路徑的積分為零,即引力此過程中不做功。

如果把這個結論聯繫到地球圍繞太陽旋轉的軌道上,因為引力不做功,而地球唯一受到的外力是太陽的引力(其它天體對地球引力較小,可忽略),所以它的機械能在這個過程中守恆。當地球靠近太陽(近日點),其r變小,引力勢能變大(注意前面帶有負號),所以動能此時變大,即地球的運動速率變大。同理,在遠日點,地球速率變小。

13-4 無限大平板的引力場

在電磁學中,專門有一節討論無限大帶電平板的電場。這兒討論的是無限大平板的引力場,不過費曼是從單個質點的引力求和來推導一個無限大平板的引力場。其實,在日常生活中,我們就假設地球就是無限大的平板,它引發的引力場對物體的引力是mg。

這一節下面的討論很有意思,即一個球形物體對外界的引力作用是否可以看作是圓心一點(質點)的引力作用。這並不是理論物理學家的喃喃自語,當考慮一個球形物體時,有些部分離一個質點近,有些離質點遠,因此它們對這個質點的引力和被看作圓心上一點引力,按照這本書來說是一個「miracle」。牛頓就是因為這個問題,推遲發表了他的偉大著作《自然哲學的數學原理》。

在上面這幅圖中,費曼用無窮個(所以積分)個球環(因為這兒是2維,所以只有一個長方形柱體,圖中用紅色標識)對P點的作用等於質心O點對P的作用,來說明一個3維的球殼對P的作用等於質心在O點對P的作用。進而說明一個球(由無數層球殼組成)對P點的作用等於球心為質心時的作用。

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