質點1質量為m,質點2質量為M,兩質點相距r,不受任何外力,只考慮兩質點之間的萬有引力,
假定:在t=0時兩質點相對靜止,兩質點之間的萬有引力為F,則兩質點由靜止同時向對方運動,M的加速度為A,m的加速度為a,M的速度為V,m的速度為v,兩質點經過時間t后相遇,m的位移為s,M的位移為S,|s|+|S|=r.
F=GMm/r^2=ma=MA兩質點所受的萬有引力始終相等,但隨距離縮短而加大。
A=Gm/r^2;a=GM/r^2兩質點加速度不同,且都隨距離縮短而加大。
V = At= Gmt/r^2;v = at= GMt/r^2兩質點的速度也不相同,且都隨距離縮短而加大。
那么兩質點的位移也不相同。
S和s的值需要使用微積分結算,過程比較復雜,忽略過程,結果如下:
S=rm/(M+m)
s=rM/(M+m)
把兩質點相遇的這個點稱為質中點,把r/2處稱為距中點,質中點在大質點和距中點之間。
質中點是個什么樣的點呢?
假設:兩質點中間有一無剛性直棒連接,用細線系在質中點,將細線向上拽,連接兩質點的直棒將垂直于細線,如將兩質點看做是個整體,那么兩質點的質中點就是這個整體質點的位置所在,也就是兩質點整體的重心或質心。
m靜止時的勢能為:EP1=mah=m(GM/r^2)(rM/(M+m))= GM^2m/r(M+m)
M靜止時的勢能為:EP2=Mah=M(Gm/r^2)(rm/(M+m))=GMm^2/r(M+m)
以上分析是認為兩質點同時向質中點運動,是以質中點建立的參考系。
如果分別以m和M建立參考系會怎么樣呢?
以M建立參考系,則:
m靜止時的勢能為:EP=mah=m(GM/r^2)r=GMm/r
M靜止時的勢能為:EP=Mah=M(Gm/r^2)r=GMm/r
EP=EP1+EP2
可見質點的勢能與參考系有關,即在講質點的勢能時,一定要講是相對誰的勢能。
以M建立參考系,M的勢能為0,m的勢能為GMm/r;以m建立參考系,m的勢能為0,M的勢能為GMm/r,以M和m連線上一點建立參考系,M和m的勢能和為GMm/r.
結論:在一維空間中,質點的勢能與參考系有關,但勢能公式在不同參考系中是等價的。同樣,在三維空間中,質點的勢能與參考系有關,但勢能公式在不同參考系中是等價的(省略論證)。
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