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重力勢能的歸屬和相對性

編輯: 路逍遙 關鍵詞: 高中物理 來源: 記憶方法網

  一個質量為m的物體,置于高出地面h處,通常就說“這個物體具有的勢能為Ep=mgh”。對此,似乎不會有人提出異議,但實際上這里還存在兩個問題并沒有作出明確交待。這兩個問題是:⑴重力勢能Ep是屬于物體所有的嗎?⑵重力勢能Ep的量值必為“mgh”嗎?其實,從實質上說這兩個問題的答案都是否定的。人們之所以對上述說法不持異議,無非是大家“約定”了怎樣理解而已。

  一、重力勢能屬物體和地球所組成的系統,

  我們知道,物體重力勢能的變化是重力作功的結果,而重力是地球和物體之間的吸引力。因此,可以設想,如果沒有地球對物體的重力作用,也就談不上重力作功和重力勢能的問題,例如,離開了地球作用范圍的宇宙飛船,也就無所謂重力勢能了。所以說,重力勢能并不是物體單方面所有,(而是屬于物體和地球所組成的物體系統所共有的)。表達式Ep=mgh中的重力“mg”和高度“h”,都是與物體和地球兩個方面同時相關聯的,離開任何一方都不行。物理學中常常把這種彼此具有相互作用的物體組看作一個整體,稱之為力學系統。勢能Ep=mgh,實際上是屬于物體和地球所組成的重力系統所有的,通常略去“系統”的兩字,簡單地說成是物體的重力勢能。

  由于人們本身生活在地球上,而且地球的質量遠遠大于物體的質量,因此,在物體和地球相互作用的過程中,只能直觀地覺察到物體受地球的吸引而運動,而不可能覺察到地球也同時在物體的吸引之下而運動,于是人們根據舉高了的物體落下來時對其它物體作功的事實,就把重力系統?“物體和地球”所具有的勢能說成是“物體的勢能”。雖然,這種說法是不確切的。但是這對問題的敘述卻帶來了方便,而又不影響對具體問題的分析討論,所以無形中就成為大家“約定”的表述方式了。

  不僅重力系統具有勢能,而且凡是一個系統,只要內部各個物體(或同一物體內部的各個部分)之間存在著相互作用力,并且當它們的相對位置改變時,這種作用力所作的功只決定于系統的初始和終了位置,而與相對位置改變過程的具體途徑無關,那么這個系統就具有勢能。重力系統之所以具有勢能,就因為物體與地球之間存在相互吸引力,而且地球的引力?重力作的功,只決定于物體的初始位置和終了的位置,而與移動的具體途徑無關。

  二、重力勢能的相對意義。

  我們知道,任何勢能的量值都是相對的。重力勢能的量值公式:Ep=mgh也只有相對意義,因為零勢能參考平面的選擇是任意的。所謂物體在高度為h處的勢能等于“mgh”,其前提就是事先規定了物體在地面上時的勢能為零。如果選擇離地平面的高度為h0的水平面作為勢能等于零的參考面,那么同樣把物體置于離地面高度為h的地方,其勢能值就不是“mgh”了,而是Ep=mg(h-h0)。所以說:“mgh”式中的“h”是個相對量,從實質上說,它代表的是物體的位置與規定的零勢能參考平面之間的豎直高度差。只有當規定物體在地面上時的勢能為零時,“mgh”式中的“h”才等于物體的位置離地面的高度。

  但應當指出,雖然“mgh”中的“h”,與零勢能參考面的選擇有關,但空間兩點的勢能差不是相對的,而是唯一確定的,與零勢能參考面的選擇無關。

  可見,重力勢能具有相對意義。在計算重力作動時,勢能為零的參考面(基準面)的選取是可以任意的。換句話說,不管零勢能參考面如何選擇,物體在空間兩點的勢能之差是唯一確定的。


本文來自:逍遙右腦記憶 /gaozhong/347863.html

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