假设我们要将一个货箱升到装卸平台上的某个更高的位置,如图所示 。
?在这个过程中做了功,如果只以货箱停在新位置上结束,那么并没有得到什么动能 。但是货箱的能量增加了,上升力所做的功的结果是增加了势能 。
再看上图,要升起货箱,我们就需要对它施加一个向上拉它的力,但是所加的力并不是作用在货箱上的唯一的力,货箱的重量会向下拉货箱 。如下图所示:
?
如果用来升高货箱的力的大小刚好等于重力但方向相反(即:F=W),那么作用在货箱上的净力就是零,货箱不会加速(即F净=ma=F-W=0 , 则加速度a=0) 。实际上,在货箱开始运动时,我们会让它有一点加速,在运动结束时会让它有一点减速,而在绝大部分运行过程中它以恒定速度运动 。实际操作的情景也应当如似 。
上升力所做的功增加了货箱的重力势能 。上升力和重力大小相等 , 方向相反,因此净力为零 , 没有加速度 。上升力由于使物体反抗向下拉的重力运动而做功 。如果松开绳子 , 货箱将会向下加速运动 , 获得动能 。
货箱得到的重力势能是多少?上升力所做的功等于力的大小乘以运动距离(即W=Fh) 。作用力等于货箱的重量 mg (即F=W=㎎) 。若货箱上升一个高度 h,那么所做的功便是 mgh 。重力势能等于所做的功,即PE =mgh 。
这里用缩写 PE 代表势能,PE是Potential energy的缩写,Potential是“潜在的;可能的”意思,因此PE的意思就是潜在的能量或者可能的能量;而动能的缩写是KE,是Kinetic energy的缩写,Kinetic是“运动的;运动引起的”意思 。
假如一个质量为 100kg的货箱被升到一个高出地面 2m 的装卸平台上,那么它得到的势能是
PE = mgh
= 100kg ×9.8m/s2 × 2m
= 1960J 。
高度h 是货箱运动到某一参考高度或参考位置之上的距离 。在上例中,我们将货箱原来在地面的位置选为参考高度 。通常我们将一个物体可能发生运动的最低点选为参考高度,以避免出现负的势能 。不过,重要的是势能的变化,因此参考高度的选择对真实的物理情况并无影响,只要利于问题研究即可 。这是理解重力势能的一个重要知识点 , 也就是说重力势能会随参照物的不同而不同 。
【什么是动能 什么是重力势能】在重力势能的情形下 , 施力物体实际上是地球 , 这个力就是地球的重力 。将一个物体移得离地球越远,重力势能就越大(即PE=mgh,h越大,肯定PE越大) 。
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