势能定义

什么是势能？

势能，或称储存的能量，是基于整个系统中不同元素的相对位置。弹簧被拉伸或压缩时会具有更大的势能。钢球被举得越高，其势能就越大，越接近地球时势能越小。在较高的位置时，它能做更多的功。势能是系统的特征，而不是单个粒子或物体的特征。由地球和被举起的球组成的系统就是一个例子。由于它们之间的距离更远，因此它具有更大的势能。

当系统中存在相互作用的部件，并且作用力的大小取决于部件的构型或相对位置时，就会产生势能。在地球-球体系统的情况下，它们之间的引力取决于它们之间的距离。进一步分离它们或将球举得更高所做的功会给系统增加更多的能量，然后这些能量以引力势能的形式储存起来。

势能还包括其他多种形式。存储在带电电容器极板之间的能量称为电势能。通常用来描述化学能的术语，即物质通过改变其组成而产生功或释放热量的能力，可以被认为是由于分子和原子之间相互作用力产生的势能。核能也是一种势能。

粒子系统的势能仅取决于初始构型和最终构型。它不取决于粒子运动的方向。例如，在钢球和地球的例子中，如果球的初始位置在地面，最终位置比地面高 10 英尺，那么无论球被举起的方法如何，势能都保持不变。势能值不是固定的，并且取决于所选择的参考点。在上面的例子中，如果初始位置在 10 英尺深的洞的中间，那么该系统将具有两倍的势能。

地球表面附近的引力能量可以通过将物体的质量与其相对于参考点的距离相乘来计算。对于束缚系统，例如原子中的电子因原子核的电场力而被束缚在原地，能量势的零点是距离原子核足够远的点，以至于无法检测到电能。在这种情况下，束缚电子具有负势能，而远离的电子则没有势能。

势能可以转化为运动能，称为动能，然后转化为其他形式，如电能。因此，水从大坝通过涡轮机流向较低的水平，涡轮机驱动发电机，产生电力，以及由于摩擦和湍流产生的一些未利用的热能。

过去，人们认为势能与动能以机械能的形式结合起来，以便引力系统的总能量可以被计算为积分。

考虑到前面提到的关于势能来源的信息，我们将考察一些我们在日常生活中遇到的势能来源：

1. 钟摆

钟摆是一种将重物悬挂在枢轴上以便于摆动的结构，例如时钟的钟摆。当钟摆被放置在一侧时，由于其位置，它能够产生最大的势能。当我们移开摆锤时，势能转化为动能。当摆锤到达另一端时，在返回相同路径之前，它会在最高点停留片刻。在这个静止阶段，动能转化为势能。这个过程会不断重复，直到钟摆停止。

2. 弹簧

正如我们之前讨论过的，弹性势能是存在于能够被拉伸和压缩的物体中的一种能量形式，例如弹簧。当弹簧被拉伸、压缩和扭曲时，它们会获得一定的势能，称为弹性势能。压缩弹簧所需的能量可以称为动能。如果一个弹簧被压缩并释放，被压缩弹簧中储存的势能将转化为动能。

3. 弓和箭

您知道弓箭的操作遵循热力学定律，该定律规定能量既不能被创造也不能被毁灭，只能从一种形式转化为另一种形式，反之亦然。当弓箭手拉动弓弦时，弓的柔韧肢体会产生一定量的弹性势能。弓箭手拉得越用力，弓的肢体由于拉伸而获得的势能就越大。一旦弓弦被释放，箭就会迅速向前移动。发生的情况是，弓弦拉伸产生的能量迅速以动能的形式传递给弓。结果，它向前移动。

4. 悬崖边上的岩石

位于悬崖边上的岩石是势能的来源。岩石中包含的势能是由于其位置。我们知道，物体由于其位置而储存的能量称为重力势能。因此，我们可以得出结论，岩石中包含的能量是重力势能。如果您将岩石推到山底，储存的势能将转化为动能。因此，下次您去山区旅行时，看到一块岩石 lying 在悬崖顶上，请记住它是一个重力势能的来源。

5. 我们吃的食物

您是否曾想过我们如何能够行走、跑步或执行任何需要大量能量的任务？这些使我们的身体能够执行所有工作的能量来源是什么？众所周知，工作需要能量，我们从吃的食物中获取能量。如前所述，物质中存在一种能量形式，称为化学动能。它是储存在物质中的化学键中的能量。我们吃的食物是化学能的储存库。一旦食物被摄入，化学能势能就会转化为身体使用的能量。据说所有由原子组成的物质都能产生能量。有趣的是，如果我们有两个重量相同但冷热不同的肉块，然后比较它们，我们会发现热肉比冷肉含有更多的能量，因为后者含有一些额外的热能，但势能保持不变。

6. 水库中的水

水因多种原因储存在水库中，例如为水力发电厂发电、灌溉、防洪、工业用途、人类消费以及其他工业用途，具有一定的势能。由于水库中的水处于静止状态，并且不允许在水库中流动，因此其中所含的能量被称为势能。这是因为我们认识到“势能”这个术语指的是一种存在于静止物体中的能量。当水坝的闸门打开时，之前静止的水会立即流动，储存在水中的势能将转化为动能。

7. 雪

您是否曾见过覆盖着雪的山脉，它们看起来如此宁静？如果下起新雪，雪会开始覆盖山脉。处于静止状态的雪在其内部包含一定的势能。由于山脉具有一定的高度，因此这种势能可以描述为重力势能。如果雪崩发生，积雪层会破裂，导致雪崩。雪崩期间发生的情况是，势能转化为动能。因此，雪开始迅速从山上滑下。

8. 子弹

当子弹从枪中发射出来时，它处于静止状态。我们知道静止物体中存在的能量称为势能。这意味着枪中的静止子弹包含一定量的能量，称为势能。当子弹发射时，势能转化为动能。

9. 过山车

当过山车车厢在被允许自由落体之前被举到顶部时，车厢中充满了势能。在过山车的最高点，当车辆减速几秒钟时，车厢因其高度和乘客的重量而拥有的能量被称为重力势能。车厢里的人越多，重力势能就越大。当车厢沿着轨道继续移动时，储存的势能转化为动能。

10. 橡皮筋

当我们拉伸橡皮筋时，它会储存一些势能。我们可以轻易地说橡皮筋具有称为弹性势能的储能能力。当橡皮筋被自由拉伸时，它会恢复到原来的形状，储存的弹性势能转化为动能。

11. 拆除球

拆除球的工作原理与钟摆类似。当起重机将拆除球摆动到适当的高度时，它开始获得势能。与钟摆一样，在这种情况下，势能也转化为动能，然后动能可用于摧毁建筑物。

12. 游泳者

在跳入水中之前，游泳者必须始终站在跳板上并伸展身体。当游泳者站在跳板上时，他们能够利用一些重力势能。当他们跳入泳池时，这种重力势能会转化为动能。这就是游泳者跳水时的动作，目的是获得最大的重力势能，然后将其转化为动能。动能越大，就越容易穿透泳池中的水的粘性。