在物理教科书中将重力势能定义为物体由于被举高而具有的能。这是不科学的,是一种错误的解释。
其错误一是:重力势能如果是物体由于被举高而具有的能,那么没被举高岂不是就没有重力势能。山上的石头,水底的石头,都没被举高,岂不是都没有重力势能;天上落下的陨石落地的过程中,一直都没被举高,岂不是也一直没有重力势能。
其错误二是:重力势能如果是物体由于被举高而具有的能,那么物体一旦被举高就算没有引力场也会具有重力势能。我们太空中的宇宙飞船里,是如何依据物体被举高来判断重力势能呢?
重力势能与物体有没有被举高没有关系,而是与相对参考点的位置有关系,同时与所处的引力场有关系。其必须具备两个条件,缺一不可:一是引力场,二是相对位置(距离)。
我们将重力势能与动能进行相对应的转换,就很容易理解重力势能的概念了。首先在地球引力场中建一个一维坐标,如图,以地球上物体的重力加速度的相反方向作Z轴,我们通常称他为高,在Z轴上取两点a和b,且a> b ;设一物体在t 0 时刻由a (a ,t 0) 以初始速度v 0 出发,在t 1 时刻到达b ( b ,t1 ) ,这时速度为v 1 ;再设t 0时刻物体处于静止状态,既v 0 = 0 ,物质质量为m ,重力系数(也可以称为重力加速度)为g 。
那么其做功E p = F*h = m*g*h = m*g*(Za-Zb) = m*g*1/2 (v1+v0)*(t1-t0)=1/2m(v1+v0)*(t1-t0)*(v1-v0)/(t1-t0) = 1/2m*v1^2 。
表示物体从a 点到b点,重力所做的功。而这个功在t 0 时刻( 物体静止时),称为该物体的重力势能
因此重力势能的定义应该是:在一个引力场中,物体相对于重力加速度方向的另一点,所具备的潜在能量。
重力势能的公式:E p = m*g*h ,(E p 为重力势能,m 为质量,g为重力系数,h为距离 )。物体质量越大重力势能越大,重力系数越大重力势能越大,与参考点相对距离越大重力势能越大。单位为焦( J ) 。
重力势能的特征:
1):物体受引力场的作用,不同的引力场具有不同的重力势能。比如太阳和月亮等星球上的物体都会有重力势能的特性,只是同一物体在数值上会与地球上的重力势能不一样,在微引力场,其重力势能也很微弱。在我们太空中的宇宙飞船里,也可以根据其所处引力场大小和与参考点的距离来判断重力势能。
2):相对性,没有相对参考点,就没有重力势能。物体在一点不具备重力势能,只有相对另一参考点才具备重力势能。无论是山上的、水底的、天上落下的相对于另一参考点都具备重力势能。
3):是一种虚能,一种潜在能量。指物体当前状态下并不存在的能量,而一旦物体由于重力作用到达参考点又必然存在的能量。表示物体的重力势能在一定条件下可以转变为动能。