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已知导体棒MN与PQ的质量分别为 和 ,水平足够长的导轨光滑且处于匀强磁场B中,现有拉力F作用在导体棒PQ上。问:若把两根导体棒看成系统,能否把它们受到的安培力看做内力(因为安培力等大反向)呢?如果可以的话,能否用整体法来分析这个系统呢?
只把两根导体棒看成系统时,安培力对于两根杆来说不是内力。因为安培力是磁场对通电导线施加的力,现在只是把两根杆看成系统,那么磁场就是这个系统外的对象,所以系统外的对象对这个系统施加的力就是外力!只是恰好在这种条件下,两根杆所受的安培力恰好等大反向,对每根杆列出牛顿第二定律方程,有: 当两根导体棒达到稳定状态的时候,即两根导体棒的加速度相同,那么上式可以简化为: 这个结果看起来和用整体法分析得到的结果一样,但是从上面的化简过程可以看到,这只是求解方程组的一种特殊情况而已。而我们在用整体法分析一个系统的动力学特点时,指的是当几个物体的运动状态相同时,可以将这几个物体看成一个整体,那么在受力分析的时候可以不用考虑系统间的内力。而开头就指出了,当只把两根杆看成系统时,两个杆之间并没有产生相互作用,而杆受到的安培力并不是这个系统的内力!所以,对于这个系统就不能直接使用整体法来分析。不相信的话,只需把原始问题稍微变化一下,假如导体棒MN的长度是导体棒PQ的两倍,其他条件不变,如下图所示。
此时两根棒所受的安培力不再等大了,对每根杆列出牛顿第二定律方程,有: 再把这两个方程联立起来抵消安培力后,显然不再有表达式: 即整体法对于两根棒组成的系统来说不再适用了。或者说力 并不是两根棒组成的系统的合外力,因为磁场对这个系统也产生了力的作用!所以问题中的矛盾在于其结果看起来好像是整体法的结论,但本质上来说是没有弄清系统的内力与外力。内力指的是系统内各部分物体之间产生的相互作用,比如把两个接触的物体看成系统,它们之间产生的弹力或者摩擦力就是系统的内力。那么根据牛顿第三定律,系统内两个物体间的相互作用力一定总是等大反向的!正是基于这个特点,把每个物体的牛顿第二定律方程联立求解才能变成整体法的方程。假设某个系统由 个物体组成,每个物体的质量分别为 、、 ,而每个物体的加速度分别为 、、 ,作用在这个系统上的合外力为 。
每个等式里, 表示系统合外力 作用在物体 上的分力,而 表示物体 受到的内力。把这n个方程相加后,内力的矢量和一定为0,而各物体所受外力的矢量和即为力 ,所以就有结果: 结果说明,无论各个质点的加速度是否相同,均可以把多个物体看成整体。特殊的情形,若每个物体的加速度相等,方程就变成了: