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记得以前我跟人在网上讨论,提到过物理无神圣(No theory is sacred in Physics)。一方面这是在针对已经确认的基本规律,另一方面也是指不能死记硬背、教条地套用一些看似放之四海而皆准的“真理”。以能量守恒为例,在经典力学里这是运动方程推导出来的结果:从动力学方程我们发现某个标量是不随时间变化的,称之为能量。
(1)开始:势能 mgh, 动能 1/2 mV^2, 总能量
E0 = mgh + 1/2mV^2;
(2) 碗底:势能0,动能 1/2 m (v+V)^2 = 1/2 mv^2 + 1/2mV^2 + m v*V
总能量 E1 = mgh + 1/2mV^2 + m v*V = E0 + m v*V
$\Delta E = V \cdot mv = V \cdot \Delta P$
我在《外力做功的伽利略变换》一文中给出了做功的伽利略变换公式:W′=W+V⋅ΔP。在静止参照系,碗对小球做功为0, 也就是说W=0,但碗的作用力导致小球动量变化为 mv,那么在运动参照系,碗对小球做的功是 V * mv 。除非 V与 v 垂直,这个碗对球的做功不为0.
为什么在伽利略变换下,一个能量守恒的系统,能量不再守恒?
从我们上面的分析看出,这是因为系统没有平移不变性,也就没有动量守恒。用中学物理分析,参见《外力做功的伽利略变换》。如果用高等力学,这表现在系统的哈密顿量在 xp = x - V t 变换下,出现显示含时间项。
注一: 考虑M可以滑动,m 滑到碗底速度为v, M 速度为 u。在静止参照系,
mv + Mu =0
mgh = 1/2 mv^2+ 1/2 M u^2
解出,
$v= \sqrt{\frac{2gh M}{m+M}}$
$u = -\frac{m}{M}v$
换到速度为V的参照系,伽利略变换 $u^\prime = u+V ; v^{\prime} = v +V$
系统总能量
$E =\frac{1}{2}m(v+V)^2 + \frac{1}{2}M (u+V)^2$
代入上面的u,v, 得出
E= mgh + 1/2(m+M) V^2
由此可见,当M极大,以M作为参照系能量近似守恒 (误差为 m/M 量级),但一旦进行参照系变换,能量就不守恒了,因为M 并非真正的惯性系。
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GMT+8, 2024-11-20 08:45
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