势能:势能是相互作用的物体凭借其相对位置而具有的能量。
物体由于被举高而具有的能叫做重力势能(gravitational potential energy)。是在特殊情形下引力势能的推广,是物体在重力的作用下而具有由空间位置决定的能量,大小与确定其空间位置所选取的参考点有关。物体在空间某点处的重力势能等于使物体从该点运动到参考点(即一特定水平面)时重力所作的功。
物体重力势能的大小由地球对物体的引力大小以及地球和地面上物体的相对位置决定。物体质量越大、位置越高、做功本领越大,物体具有的重力势能就越多。
某种程度上来说,就是当高度一定时,质量越大,重力势能越大;质量一定时,高度越高,重力势能越大。
重力势能的公式:Ep=mgh (Ep为重力势能,m为质量,g为地球表面重力加速度,在大多数情况下,h为物体距离参考平面的高度)
由于万有引力和g都因距离而变化,所以Ep=mgh只能解决地球表面问题。
以无穷远处为0势能,重力势能的一般形式为:
可用定积分计算万有引力的变力作功求解
假设一个物体从离地心r1的距离被提升到了r2的距离,即r2大于r1
这时重力做功大小为
其中Fr代表物体所受的向心重力,
由于物体远离地心移动,重力做负功,故需要添加负号
又由于物体所受重力由定义式得:
于是我们得到重力势能的定义式
其中r为物体离地球中心的距离。
关于负号的理解:当物体被从无限远处由重力做功移向施力体中心的时候,重力做功,势能减小。
判断一个物体是否具有重力势能,关键看此物体相对某一个平面有没有被举高,即相对此平面有没有一定的高度。若有,则物体具有重力势能,若没有,则物体不具备重力势能。
物理学中,物体具有的重力势能的大小与物体的质量成正比,与物体被举高的高度成正比。
所以得出:Ep=mgh。
重力势能是标量,单位为焦耳(J)。与功不同的是,功的正负号表示作用效果,比较大小时仅比较数值;而重力势能中正数一律大于负数.在重力势能的表达式中,由于高度h是相对的,因此重力势能的数值也是相对的。我们说某个物体具有重力势能mgh,这是相对于某一个水平面来说的,若把这个水平面的高度取做零,这个水平面称为参考平面,物体位于这个参考平面上时,重力势能为零,因此参考平面也被称为零势能平面。经典物理对重力势能的理解就是当一个物体处在一个位置,相对于参照平面,重力可以对物体做多少功,使物体获得多少其他形式的能量,就说重力势能是多少。但并不是说重力势能为0就不具备做功的能力,这是由其相对性决定的。重力做正功时,重力势能减小,重力做负功时,重力势能增大。