引入
为什么说“高处的东西有能量”,但能量多少取决于你选的零点?
为什么重力做功只看高度差,不看走了多远的路?
为什么重力势能可以取负值,弹性势能却总是正的?
重力势能是最直观的势能形式,也是理解“保守力—势能”关系的最好入口。它的取值依赖零点,但势能差永远确定。
正文
定义
重力势能是引力势能在地球表面附近的一种简化形式: 其中 是相对零势能面的高度。
重力做功
公式
其中 是初末高度差。下落时 ,;上升时 。
推导
由功和重力 :
由于重力属于保守力,做功只与初末位置有关。把位移分解为竖直分量 ,水平分量与重力垂直、不做功,因此
这个推导的关键是:无论物体沿什么路径移动,重力的水平分量始终为零,只有高度变化贡献功。
重力势能
单位:。
原笔记写作 ,量纲不对。 是力的单位(牛顿),应写成 。
零势能位置
零势能面根据问题需要主观选取,常选地面、桌面或物体运动的最低点。
零点选择的影响:
| 零点选择 | ||
|---|---|---|
| 地面 | 物体到地面的高度 | 地面上方为正,下方为负 |
| 桌面 | 物体到桌面的高度 | 桌面上方为正,下方为负 |
| 运动最低点 | 相对最低点的高度 | 全程非负 |
势能数值随零点改变,但两点之间的势能差不变。所以列机械能守恒方程时,只要初末状态用同一个零点,结果就正确。
做功与势能变化
重力做功等于重力势能变化的负值:
这个关系是保守力的一般性质,不只对重力成立。
与引力势能的区别
| 项目 | 重力势能 | 引力势能 |
|---|---|---|
| 表达式 | ||
| 适用条件 | 地表附近, 近似恒定 | 任意距离 |
| 零点 | 可任选 | 通常取无穷远 |
| 随距离变化 | 线性 | 反比 |
重力势能是引力势能在 时的近似。距离变化不大时, 视为常数,线性关系足够精确。
引出
为什么重力势能可以取负值?负值表示什么?
保守力做功与路径无关,这个性质如何定义势能?
在电梯里加速上升时,物体的重力势能如何变化?