2021上海等級考物理：勢能

 

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勢能(potential energy)是儲存于一個系統(tǒng)內(nèi)的能量，也可以釋放或者轉(zhuǎn)化為其他形式的能量。勢能是狀態(tài)量，又稱作位能。勢能不是屬于單獨物體所具有的，而是相互作用的物體所共有。

類別勢能分為重力勢能、磁場勢能、彈性勢能、分子勢能、電勢能、引力勢能 等。勢能是無限能源。

[重力勢能](gravitational potential energy)是物體因為重力作用而擁有的能量，公式為EP=mgh (m 質(zhì)量，g應(yīng)取9.8N/kg，h物體據(jù)水平面的高度)。

[磁場勢能]是由磁場引力或斥力使物體間相對位置發(fā)生變化;物質(zhì)被磁化或退磁使物質(zhì)內(nèi)部特性發(fā)生改變的能量叫磁場勢能。(磁場是非保守場，是有旋場，而勢能應(yīng)該是存在于有勢場，有勢場的條件之一就是無旋場，因此我質(zhì)疑磁場勢能的說法)

[彈性勢能](elastic potential energy)是物體因為彈性形變而具有的能量。公式為EP=1/2 kx^2

[分子勢能]是分子間的相互作用力而產(chǎn)生的能量，分為斥力和引力。在平衡位置時相對平衡，小于平衡位置時表現(xiàn)為斥力，大于平衡位置時表現(xiàn)為引力。但無論何時，引力與斥力都是同時存在的。

[電勢能]電磁負荷在電場中由于受電場作用而具有由位置決定的能叫電勢能。

實際上，勢能大小Ep與力F、距離h(彈性勢能為x，引力勢能為r等)存在著一定的關(guān)系，既是d(Ep)/dh=F。也可以寫成Ep=∫Fdh，既是保守力所做的功的大小。 [4]

分子勢能

分子間由于存在相互的作用力，從而具有與其相對位置有關(guān)的能，即分子勢能。包括分子動能與分子勢能。每個分子都有動能;相互作用的分子間都有勢能(但理想氣體分子間沒有相互作用力，也就沒有分子勢能)。

相對性

質(zhì)點1質(zhì)量為m，質(zhì)點2質(zhì)量為M，兩質(zhì)點相距r，不受任何外力，只考慮兩質(zhì)點之間的萬有引力，

 

假定：在t=0時兩質(zhì)點相對靜止，兩質(zhì)點之間的萬有引力為F，則兩質(zhì)點由靜止同時向?qū)Ψ竭\動，M的加速度為A，m的加速度為a，M的速度為V，m的速度為v，兩質(zhì)點經(jīng)過時間t后相遇，m的位移為s，M的位移為S，|s|+|S|=r。

F=GMm/r^2=ma=MA 兩質(zhì)點所受的萬有引力始終相等，但隨距離縮短而加大。

A=Gm/r^2;a=GM/r^2 兩質(zhì)點加速度不同，且都隨距離縮短而加大。

V = At= Gmt/r^2;v = at= GMt/r^2 兩質(zhì)點的速度也不相同，且都隨距離縮短而加大。

那么兩質(zhì)點的位移也不相同。

S和s的值需要使用微積分結(jié)算，過程比較復(fù)雜，忽略過程，結(jié)果如下：

S=rm/(M+m)

s=rM/(M+m)

把兩質(zhì)點相遇的這個點稱為質(zhì)中點，把r/2處稱為距中點，質(zhì)中點在大質(zhì)點和距中點之間。

質(zhì)中點是個什么樣的點呢?

假設(shè)：兩質(zhì)點中間有一無剛性直棒連接，用細線系在質(zhì)中點，將細線向上拽，連接兩質(zhì)點的直棒將垂直于細線，如將兩質(zhì)點看做是個整體，那么兩質(zhì)點的質(zhì)中點就是這個整體質(zhì)點的位置所在，也就是兩質(zhì)點整體的重心或質(zhì)心。

m靜止時的勢能為：EP1=mah=m(GM/r^2)( rM/(M+m))= GM^2m/r(M+m)

M靜止時的勢能為：EP2=Mah=M(Gm/r^2)( rm/(M+m))=GMm^2/r(M+m)

以上分析是認為兩質(zhì)點同時向質(zhì)中點運動，是以質(zhì)中點建立的參考系。

如果分別以m和M建立參考系會怎么樣呢?

以M建立參考系，則：

m靜止時的勢能為：EP=mah=m(GM/r^2)r=GMm/r

M靜止時的勢能為：EP=Mah=M(Gm/r^2) r=GMm/r

EP=EP1+EP2

可見質(zhì)點的勢能與參考系有關(guān)，即在講質(zhì)點的勢能時，一定要講是相對誰的勢能。

以M建立參考系，M的勢能為0，m的勢能為GMm/r;以m建立參考系，m的勢能為0，M的勢能為GMm/r，以M和m連線上一點建立參考系，M和m的勢能和為GMm/r。

結(jié)論：在一維空間中，質(zhì)點的勢能與參考系有關(guān)，但勢能公式在不同參考系中是等價的。同樣，在三維空間中，質(zhì)點的勢能與參考系有關(guān)，但勢能公式在不同參考系中是等價的(省略論證)。

力學中的勢能

勢能是指物體(或系統(tǒng))由于位置或位形而具有的能。例如，舉到髙處的打樁機重錘具有勢能，故下落時能使它的動能增加并對外界做功，把樁打入土中;張開的弓具有勢能，故在釋放能時對箭做功，將它射向目標。

物體(或系統(tǒng))的勢能，只能對選定的初始位形來。物體在某特定位形的勢能在數(shù)量上等于將物體從初始位形沒有加速度地改變到此位形時，外界克服物體抗力所作的功，也就是物體抗力在此過程中所作的功取負值。設(shè)物體受到力F的作用，則行微位移dr的元功為F·dr。如取0點為零勢能位置，則物體在M點時所具有的勢能為：

 

還要指出，作用于系統(tǒng)的力必須是像重力、彈性力那樣的可以恢復(fù)的力，即在系統(tǒng)位形變化的一個循環(huán)中，力的功等于零，列式如下：

 

 

滿足以上條件的力稱為保守力。這樣，系統(tǒng)的勢能只取決于初始和終了的位置或位形，而與變化過程中的途徑無關(guān)。故式(6)中的積分路線可以取從O點到M點的任意曲線。非保守力(如摩擦力)不存在勢能。下面是一般力學中常見的三種勢能：

 

重力勢能

重力是保守力。質(zhì)量為m的物體，所受到的重力是mg(g=9.80665米/秒是重力加速度)。如果把地面選作零勢能位置，則物體在髙度處所具有的重力勢能為：

 

更嚴格地說，這是物體與地球組成的系統(tǒng)所具有的勢能(圖1)

 

引力勢能

物體離地球中心的距離r很大時，必須考慮到地心引力隨距離的變化(圖2)。質(zhì)量為m的物體所受地心引力大小是

 

是地球的質(zhì)量;G=6.673×10米/(千克·秒)，是引力常數(shù)。由式(6)可以算出其勢能為：

 

 

=6.371×10米，是地球半徑。零勢能位置仍取在地球表面。

 

任何兩個物體之間的萬有引力也有引力勢能，例如質(zhì)量為m1和m2的兩個可視為質(zhì)點的星體的引力勢能為

彈性力勢能

彈簧變形時，作用于外界的彈性力大小F與變形

(胡克定律)，k是彈簧剛度(圖3)。彈性力也是保守力。如取彈簧未變形時的自然狀態(tài)作為零勢能位形，則由式(6)算出它變形時的勢能為：

電勢能

定義：電荷在電場中由于受電場作用而具有由位置決定的能叫電勢能。

 

也可以這樣定義：

(1)電荷在電場中具有的能。

(2)電荷q由電場中某點A移到參考點O，電場力做的功等于q在A點具有的電勢能。

公式：Ep=WAO=q·φA.(Ep表示電勢能)：

當φA>0時，q>0，則Ep>0,q<0，則Ep<0;

當φA<0時，q>0，則Ep<0,q<0，則ep>0.

靜電場中的勢能。一點電荷在靜電場中某兩點的電勢能之差等于它以一點移動到另一點時，靜電力所作的功。

電勢能反映電場和處于其中的電荷共同具有的能量。

電勢能可以由電場力做功求得，因為W AB=qUAB=q(ΦA- ΦB)=qΦA-qΦB=EA(初) —Eb(末)= -△E，

(EA(初)、EB(末)為兩個點的電勢能)。

電場力做功跟電勢能變化關(guān)系：

WAB>0，△Ep<0，電場力做正功，電勢能減小~轉(zhuǎn)化成其他形式的能;

WAB<0，△ep>0，電場力做負功，電勢能增加~其它形式的能轉(zhuǎn)化成電勢能。

順著電場線，A→B移動，若為正電荷，則WAB>0，則UAB=ΦA-ΦB>0，則Φ↓，則正Ep↓

若為負電荷，則WAB<0，則uab=φa-φb>0，則Φ↓，則負Ep↑。

逆著電場線，B→A移動，若為正電荷，則WAB<0，則UAB=ΦA-ΦB<0，則Φ↑，則正Ep↑;

若為負電荷，則WAB>0，則UAB=ΦA-ΦB<0，則Φ↑，則負Ep↓

靜電力做的功等于電勢能的減少量

Wab=Epa-Epb

電勢能公式與電場，處于電場中的電荷及電勢能零點的選擇有關(guān)，對于點電荷(電量為q)產(chǎn)生的靜電場，其電勢能與電荷q所處空間位置到點電荷所在位置的距離r有如下關(guān)系：We=kQq/r。其中k為常數(shù)。

這里注意沒有負號，和引力勢不同，這是因為引力方向是指向?qū)Ψ降�。而當Q，q都是正號時，電場力(庫侖力)是相互排斥的。

電勢能大小的判斷方法：1場源電荷判斷法——離場源正電荷越近，試探正電荷的電勢能越大，試探負電荷的電勢能越小。

2電場線法——正電荷順著電場線的方向移動時，電勢能逐漸減小，逆著電場線的方向移動時，電勢能逐漸增大。

3做功判斷法——無論正負電荷，電場力做正功，電荷的電勢能就一定減小，電場力做負功，電荷的電勢能就一定增加。

零勢能處可任意選擇，但在理論研究中，常取無限遠處的電勢能為0。

取無窮遠為電勢零：①正電荷產(chǎn)生的電場中Φ>0，遠離場源電荷Φ↓：移動正檢驗電荷W>0,Ep↓

移動負檢驗電荷W<0,Ep↑。

②負電荷產(chǎn)生的電場中Φ<0，遠離場源電荷Φ↑：移動正檢驗電荷W<0,Ep↑

移動負檢驗電荷W>0,Ep↓。

附：

1. 只在電場力作用下：

(1)電場力做正功，電勢能減少，動能增加。即：電能轉(zhuǎn)化為其它形式能(動能)。

(2)電場力做負功，電勢能增加，動能減少。即：其它形式能(動能)轉(zhuǎn)化為電能。

2. 不只受電場力作用：

(1)電場力做正功，電勢能減少，動能如何變化不確定。

(2)電場力做負功，電勢能增加，動能如何變化不確定。

結(jié)論

從定義看，只要物體能夠做功，就能說它具有勢能。質(zhì)量相同時，運動速度越大，它的動能越大;運動速度相同的物體，質(zhì)量越大，它的動能也越大。

勢能營銷

勢能營銷是指企業(yè)在長期的營銷實踐中，都在追求一種狀態(tài)，比如通過營銷運作，使產(chǎn)品由導入期，很快進入成長期，并逐步形成穩(wěn)定的增長趨勢。這可能是所有企業(yè)都愿意看到的狀況。但事實上很多企業(yè)的產(chǎn)品往往是剛剛投放市場，便很快失去了蹤影。這種產(chǎn)品之所以失敗，其主要原因是在市場運作初期沒有很好地“建勢”，為此提出勢能營銷的概念，幫助企業(yè)的產(chǎn)品由導入期順利進入成長期，并使整個營銷工作處于良性循環(huán)的狀態(tài)。

物理學中的勢能基本上可以定義為由物體各部分之間的相對位置所確定的能。我們都知道任何產(chǎn)品都是有價值的，當這種產(chǎn)品被市場接受后，在交易中會產(chǎn)生一種讓渡價值。這種讓渡價值越大，對顧客來說越具有吸引力。從顧客價值到產(chǎn)品價值，就形成一種高低差，這種高低差我們可以把它稱作“勢”。建勢就是開展產(chǎn)品價值到顧客價值的增值活動，使顧客對產(chǎn)品形成并保持高度吸引力的過程。因而，勢能營銷就可以定義為：企業(yè)為了使產(chǎn)品向顧客流動過程中形成增值差(即勢)而進行的營銷活動。

這種增值差可以分為正向差值和負向差值。正向差值就是顧客的讓渡價值為正值，負向差值就是不存在顧客讓渡價值，或顧客的讓渡價值為零或負值。自美國營銷學者邁克爾波特提出價值鏈理論以來，中國的很多企業(yè)都在嘗試增值服務(wù)，追求顧客價值較大化，但很多企業(yè)只是停留在理念上，并沒有真正付之于行動中。勢能營銷則從研究顧客的心理入手，強調(diào)顧客從認知產(chǎn)品、接受產(chǎn)品，直至評價產(chǎn)品這優(yōu)質(zhì)程中的增值，以期使產(chǎn)品形成穩(wěn)定的增長態(tài)勢。

動勢互換

(1)動能和重力勢能是可以相互轉(zhuǎn)化的。

在滾擺實驗中可以看到，滾擺旋轉(zhuǎn)著下降，越轉(zhuǎn)越快。到較低點時，滾擺轉(zhuǎn)而上升，上升中它越轉(zhuǎn)越慢，直到差不多回到原來的位置。然后它又下降、上升，重復(fù)原來的運動。滾擺下降時，它的重力勢能越來越小，動能越來越大，重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。滾擺上升時，它的動能越來越小，重力勢能越來越大，動能轉(zhuǎn)化為重力勢能。

(2)動能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化

如圖所示，讓木球從斜槽滾入水平槽。在水平槽里豎立一個彈簧片，它的下端固定。觀察木球與彈簧片碰撞的過程。木球接觸彈簧片后把彈簧片壓彎(甲→乙)，木球的動能減小，彈簧片的彈性勢能增加，在這個過程中動能轉(zhuǎn)化為彈性勢能。緊接著，彈簧片恢復(fù)原狀，把木球彈回(乙→丙)，在這個過程中彈性勢能轉(zhuǎn)化為動能。

 

(3)重力勢能和彈性勢能可以相互轉(zhuǎn)化

 

圖中，若考慮木球從斜槽上靜止下滑到彈簧片被壓彎到較大程度的全過程，重力勢能轉(zhuǎn)化為木球的動能，較終轉(zhuǎn)化為彈簧片的彈性勢能。當彈簧片恢復(fù)原狀時，木球可以運動到斜槽上某一高度，即彈性勢能轉(zhuǎn)化為重力勢能。

 

 

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