理论力学 计算题(4)
?Fy?Fx?a12??a21 即?y?x?Fx?F?a13?z?a31 ?z?x
?Fy?z?a23??Fz?a32 ?y即势能存在aij满足条件是:a12?a21 a13?a31 a23?a32
?V.............(1)?x?V由Fy?a21x?a22y?a23z??............(2)
?y?VFz?a31x?a32y?a33z??.............(3)?zFx?a11x?a12y?a13z??(1)式积分得V??1a11x2?a12yx?a13zx?f(y,z)........(4) 2(4)式对y偏微分=(2)式得
?V?f(y,z)??a12x???a12x?a22y?a23z ?y?y即
?f(y,z)??a22y?a23z...........(5) ?y1a22y2?a23zy?g(z)............(6) 21122(6)式代入(4)式得V??a11x?a12yx?a13zx??a22y?a23zy?g(z)........(7)
22(5)式积分得f(y,z)??(7)式对z偏微分=(3)式得
?V?g(z)??a13x?a23y???a13x?a23y?a33z ?z?z?g(z)即??a33z...........(8)
?z12(8)式积分得g(z)??a33z?c............(9)
2(9)式代入(4)式得
111V??a11x2?a12yx?a13zx??a22y2?a23zy?a33z2?c........(10)
222取x?0,y?0,z?0,V?0 则c?0得势能为
111V??a11x2?a12yx?a13zx??a22y2?a23zy?a33z2222
1??(a11x2?a22y2?a33z2?2a12xy?2a23zy?2a31zx)2????某力场的力矢为F?xi?yj?zk
试证明该力场是否为保守力场,若为保守力场,求出其势能函数。
?i??解:由于??r??xFx
?j??yFy?k???Fz?Fy????Fx?Fz????i??????z??y?z???z?xFz????Fy?Fx???j????x??y??k?0 ???故力场为保守力场
??VF???x.............(1)?x?x??V?由?Fy???y.............(2)
?y??F???V?z..............(3)z??z?x2?f?y,z?????4? 积分(1)式得V??2y2?V?f?y,z????y 积分得f(y,z)???g?z?????5? (4)式对y偏微分=(2)式得
?y?y2x2y2??g?z?????6? 代(5)入(4)得V??22z2?V?g?z?(6)式对z偏微分=(3)式得???z 积分得g?z????c????7?
2?z?zx2y2z2???c 代(7)入(6)得V??222x2y2z2?? 取x?0,y?0,z?0,V?0 则c?0得势能函数为V??222???有一质点在xy平面上运动,质点受到的力为F?(x?y)i?(x?y)j,质点在平面上由点
?A(1,0)沿直线运动到点B(1,1),求力F所作的功
解法1:由功的定义计算
W??BA??BBF?dr??(Fxdx?Fydy)??(x?y)dx?(x?y)dy
AA又x?1,dx?0
所以
W??BA??BB1F?dr??(Fxdx?Fydy)??(x?y)dx?(x?y)dy??(1?y)dyAA011?(y?y2)1?022B
解法2:由功的定义计算
??B(1,0)(1,1)112(1,1),0)W??F?dr??(Fxdx?Fydy)??(x?y)dx??(x?y)dy?(x2?xy)((1?(xy?y)(1,0)1,0)AA(1,0)(1,0)2211?1??22或
??BB(1,1)11W??F?dr??(Fxdx?Fydy)??(x?y)dx?(x?y)dy??d(x2?xy?y2)AAA(1,0)22
1212(1,1)1111?(x?xy?y)(1,0)?(?1?)??222222B解法3:由保守力性质计算
???ijk??????Fz?Fy??r??????x?y?z??y?zFxFyFz???(0?0)i?(0?0)j?(1?1)k?0????Fx?Fz??i???z??x??????Fy?Fx???j????x??y??k ????故力场F为保守力场
??VF???x?y.............(1)?x?x??V??x?y.............(2) ?Fy???y??F???V?0..............(3)z??z?x2?xy?f?y?????4? 积分(1)式得V??2(4)式对y偏微分=(2)式得
?V?f?y???x???x?y ?y?y
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