势能

势能是物体由于其位置、状态或排列而储存的能量。 它是能量的两种形式之一，另一种是动能。当物体的 P 位置、状态或排列发生变化时，它就具有做功的潜力，储存的能量就会释放出来。例如，压缩弹簧时，由于其位置的变化而储存势能，当我们松开弹簧时，储存的势能就会以动能的形式释放出来。能量不能被创造，但可以从一种形式转换为另一种形式。

势能一词最早由苏格兰工程师兼物理学家威廉·兰金（William Rankine）在19世纪提出。

势能的类型

势能的两种主要类型如下所述

1. 重力势能

它是物体在重力场中因处于垂直位置或位置发生变化而储存的能量。 它是由于地球对物体的引力而储存在物体中的能量。

我们可以说，它是由于作用在物体上的引力或拉力而储存的能量。例如，如果我们取两个球，一个放在桌子上，另一个放在桌子上方，那么较高的球比放在桌子上的球具有更多的重力势能。例如，拆除机器的巨大球体的重力势能取决于两个因素：其质量以及将其提升的高度。这两个因素都与重力势能成正比。物体离地越高，能量越大。同样，物体的质量越大，能量越大。因此，如果需要更大的冲击力，拆除球将被提升到更高的位置，或者使用更重的球。

重力势能公式

势能也是做功的能力，因此任何物体由于其在重力场中的位置而具有做功的潜力。

重力势能的公式如下

m = 质量（单位：千克）

g = 重力加速度（单位：m/s²）（米/秒²）：9.8 m/s²

h = 离地面的高度（单位：米）

一些事实

• 如果质量更大，重力势能会更大。例如，当两个质量都被提升到相同高度时，50千克的质量储存的重力势能是25千克质量的两倍。
• 同样，物体离地面的高度越高，储存的能量就越大，提升到10米高度的物体所储存的能量将是相同质量提升到5米高度的物体的两倍。
• 此外，引力越大，能量越大。例如，一个物体在地球表面上方10米处比在月球表面上方10米处的相同物体具有更高的重力势能，因为地球上的重力大于月球上的重力。

在水力发电厂，电力生产涉及水的利用，水的重力势能被用来驱动涡轮机。储存在大坝后面的水比河水的水位更高，当它落下时，其势能转化为动能，驱动涡轮机发电。

已解决的例子

1. 求质量为 5 千克的球被提升到离地面 10 米高处时储存的重力势能。（g = 9.8 m/s²）。

解决方案

我们知道，GPE = mgh

这里，物体的质量（m）= 5 千克

位移（高度）= 10 米

重力加速度（g）= 9.8 m/s²

所以，将数值代入给定公式，我们得到

GPE = m x g x h

= 5 千克 x 9.8 m/s^-2 x 10 米 = 490 焦耳

2. 一个重 2 千克的足球从 40 米高的建筑物落到地面。计算它开始下落到地面时的重力势能。

解决方案

足球质量 'm' = 2 千克

足球高度 'h' = 40 米

g = 9.8 m/s2

正如我们所知，GPE = mgh

将给定值代入上述公式，我们得到：

GPE= 2 x 9.8 x 40

= 784 焦耳

注意：重力势能不取决于物体被提升到高度时所经过的距离。它取决于位移：物体初始高度与最终高度之间的差值。物体到达该高度所遵循的路径没有任何区别，因此不予考虑。

2. 弹性势能

它是当物体被压缩或拉伸时储存的势能。 我们可以说，当像橡皮筋、弹簧等物体被压缩或拉伸时，其中会储存弹性动能。有许多产品被设计用来储存弹性势能，例如拉伸的弓、潜水员跳水前的弯曲跳板、发条钟的螺旋弹簧以及为玩具车提供动力的扭曲金属线圈等。然而，所有储存弹性能量的物体都有一个弹性极限，如果它们被压缩、拉伸或变形超出其弹性极限，它们将不会恢复到原来的形状。

弹性势能公式

可以使用以下公式计算

其中，

U 表示弹性势能

K：弹簧力常数

x：弹簧拉伸的长度（单位：米）

势能单位

与其他类型的能量和功一样，势能的 SI 单位是“焦耳”，用英文字母“J”表示，1 J = N m = 1 kg m²/s²

日常生活中的势能示例/用途

1. 单摆：单摆是一种重量悬挂在枢轴上的结构。单摆由于储存的势能而在两端之间摆动。例如，当您在某一端握住它时，它由于其位置（离地面的高度）而具有最大的势能。当您释放球时，球开始向另一端移动，因为其势能转化为动能。在另一端，它又因其抬高位置而储存势能，然后又向后移动，这种能量又转化为动能。这个过程会一直持续下去，直到单摆停止。摆钟中的单摆以类似的方式工作，使时钟能够准确报时。
2. 弹簧：弹簧用于玩具、时钟等多种物品中。压缩或拉伸的弹簧会储存弹性势能。这种能量有助于玩具、时钟、打火机以及各种其他小型仪器的功能。
3. 弓箭：弓箭也利用了势能，使箭能够快速移动。当弓箭手拉动弓弦时，弹性势能储存在弓的柔性弓臂中。弓拉得越紧，储存的能量就越多，箭也飞得越快。在这里，弓储存的弹性势能转化为箭的动能。
4. 大坝中的蓄水：大坝中的水用于发电、灌溉、提供饮用水和工业用水等多种用途。大坝中的水由于其水位高于河流水平而储存势能。当打开大坝闸门时，较高处的水开始向下流动，其势能转化为动能，可用于驱动涡轮机发电。所有水电站都以这种方式利用水来发电。这些流动的水也用于附近农田的灌溉。
5. 过山车：过山车车厢利用其势能高速行驶。当车厢处于最高位置时，由于其高度而具有最大的势能。当它开始向下移动时，它离地面的高度开始减小，这意味着其势能开始转化为动能。
6. 破碎球：起重机的破碎球储存势能，用于进行拆除工作。将球提升到一定高度以获得势能，然后将该能量转化为动能，以粉碎建筑物或其他坚硬结构。
7. 游泳者：游泳者用于跳水的水上跳板也储存弹性势能。当游泳者将跳板向下压时，跳板会储存弹性势能。当跳板恢复到其原始位置时，储存的能量会转化为动能，游泳者利用该动能获得额外的推力来完成跳水。动能越大，跳水就越容易。
8. 雪山：雪山上的积雪也由于其离地面的高度而具有势能。有时，在降雪期间，当山顶积雪的重量增加时，它会倾向于落下或导致雪崩，当这种情况发生时，积雪的储存能量会转化为动能，积雪会迅速向山下移动。
9. 弹射器：弹射器也通过利用拉伸弹簧的势能来工作。当我们拉动弹簧时，它会储存弹性势能，当它恢复到松弛状态时，该势能会转化为动能，动能会将放置在弹簧中的物体弹出。
10. 水果：从树枝上掉落的成熟水果也由于其位置或离地面的高度而具有势能。当它们与树枝分离时，储存的能量会转化为动能，导致它们向地面运动。同样，其他部分如叶子、树枝、花朵等也倾向于落到地面。

动能与势能的区别