势能的正负取值及零势能面选择问题初探

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  1彈性势能取值和零势能面的判定
  首先对弹性势能的表达式进行推导,假设存在一个弹簧,k为其劲度系数,构成如图1所示的弹簧振子。以ax为轴,原点a在ax轴上任取位置,当弹簧处于自然状态时,振子的坐标为x1,当弹簧发生某一形变后,振子的坐标设为x,根据弹性势能的计算公式,可以得到振子位于x时弹簧的弹性势能Epx与振子位于原点a时弹簧的弹性势能Epa之差ΔEp,如式(1)所示:
  [ΔEp=Epx-Epa=12k(x-x1)2-12kx21=12kx2-kxx1] (1)
  以往我们往往将零势能面选择在弹簧处于自然状态时的位置,这是一种特殊情况,不具有代表性,本文讨论零势能面为过坐标原点a的面时弹性势能的取值,此时Epa=0,那么式(1)可以变形为式(2):
  [Epx=12kx2-kxx1] (2)
  Epx就是振子处于坐标为x时弹簧具有的弹性势能,弹簧处于自然状态时其坐标为x1,那么式(2)可以看作弹性势能的通用表达式。当x1=0时,式(2)中Epx等于kx2/2,此时即为上述的特殊情况。
  当x1大于0时,x的取值变化会使其对应的弹性势能发生改变,首先对这种情况下的零势能面进行分析,从图2中可以明显看出在x1>0的条件下,会存在两个零势能面,一个为原点a处,另外一个为x=2x1处;之后对弹性势能的变化情况进行讨论,当02x1时,弹性势能均为正值。
  当x1小于0时,如图3所示,零势能面的情况与x1大于0时相似,为0和2x1两处;弹性势能为正时x的取值范围为小于2x1或大于0,弹性势能取负值时x的范围为2x1  2重力势能取值和零势能面的判定
  与弹性势能相比较,重力势能相对简单一些,但重力势能的取值更加依赖于零势能面的选择。重力势能的计算公式如式(3)所示:
  [Ep=GH] (3)
  式(3)中G为物体的重力,H为物体距离零势能面的高度,可以看出零势能面的选择直接影响重力势能的取值。如图4所示,一个质量为M的小球位于距离地面A高度为h1的桌面B处,在桌面B上方存在一个高度为h2的平面C,分别取地面A、桌面B、平面C为零势能面,小球的重力势能取值不同,结果见表1:
  表1 零势能面不同时物体重力势能的取值
  [零势能面 重力势能Ep 地面A Mgh1 桌面B 0 平面C -Mgh2 ]
  從表1可以看出零势能面选择不同,重力势能的正负取值也各不相同,当取地面A为零势能面时,重力势能取正值,当取桌面B为零势能面时,重力势能为0,当取平面C为零势能面时,重力势能取负值。
  3结论
  综上所述,势能的一大特点就是具有相对性,势能取值的正负与零势能面的选择息息相关,在解题过程中根据具体情况选择合适的零势能面作为参考,能够使解题的速度和正确率得到大幅度的提高。
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