系统边界,决定谁来记账

同一个运动过程,研究对象一换,方程里的“功”和“势能”就会换位置。

先遇到一个看似矛盾的式子

木块沿斜面下滑时,有人写 ΔEk=WG+Wf;有人写 ΔEk+ΔEp重=Wf。两式并不打架——前者把地球留在系统外,后者把地球也圈进了系统。下面亲手换一次边界,把账目搬家过程看清楚。

判定原则:相互作用的两个物体都在系统内,相关能量可列为系统内的变化;缺一个在系统外,就把它对系统做的功记在等号右边。
三本账先选运动过程,再改变研究对象。每本账只追踪当前情境中真正发生作用的力。

能量收支明细

甲 · 粗糙斜面下滑
当前系统:
作用归属为什么这样记

这条系统边界下的能量方程骨架

把“力做功”搬进还是搬出账本?

在斜面情境中,木块和地球都在系统内时,重力不再作为“外力做功”出现;它引起的能量变化改记为重力势能的减少。粗糙斜面没有被圈进来,所以摩擦力仍是系统外做功。

停一下:自己先定边界

传送带以恒定速度带动木块,木块与传送带之间没有打滑。若系统只取木块,摩擦力在方程中应怎样出现?若系统改取“木块+传送带+电动机”,电动机提供的能量又应记到哪里?

只取木块时,传送带在系统外,摩擦力对木块做的功写为 Wf,可使木块动能增加。把木块、传送带和电动机全纳入后,摩擦力成了系统内部能量转移;电动机的电能转化可用 ΔE电动机(或更具体的电能减少)记在系统能量变化一侧,不再把它当作外界对系统做功。