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1、【MeiWei_81-优质适用文档】第4节重力势能1、研究重力势能的出发点我们知道，物体由于被举高而具有重力势能。而物体的高度发生变化时，必然伴随着重力做功。因此，重力势能与重力做功是密切相关的，认识重力势能不能脱离对重力做功的研究。研究重力做功，是我们研究重力势能的出发点。2、重力做功与路径无关重力做功有什么特点呢？重力是由于地球的吸引而使物体受到的力，其方向竖直向下，在地面附近其大小可看作恒量，G=mg。当物体下降时，重力做正功；当物体上升时，重力做负功。图413h2hh112如图41所示，质量为m的物体经三条不同的路径，从高度是h1的位置运动到高度是h2的位置。第一次物体竖直向下运动（图
2、中路径1）：重力所做的功WG=mgh=mg(h1h2)=mgh1mgh2第二次物体沿倾斜直线向下运动（图中路径2）：设倾斜直线与竖直方向成角，物体通过的距离为s，则重力所做的功WG=mgscos=mgh=mg(h1h2)=mgh1mgh2第三次物体沿任意路径向下运动（图中路径3）：我们可以把整个路径分成许多很短的间隔，每一小段都可看成一段倾斜的直线，则重力所做的功=mgh=mg(h1h2)=mgh1mgh2可见，物体运动时，重力对它做的功只跟它的起点和终点的位置（高度）有关，而跟物体运动的路径无关。同学们还可分析一下重物向上运动的情况，看看这一结论是否同样成立。3、如何确定重力势能的表达式？在
3、本章“追寻守恒量”一节中，我们已经知道，物体的势能是物体凭借其位置所具有的能量。那么，重力势能应该与哪些物理量有关呢？重力势能应跟物体与地球的相对位置有关，还应跟物体受到的重力有关。从上述重力做功特点的分析中可以发现，物体所受的重力mg与它所处位置的高度h的乘积mgh，是一个有特殊意义的物理量。它的特殊意义在于，它一方面与重力所做的功密切相关，另一方面又随着高度的变化而变化，它恰恰是我们要寻找的重力势能的表达式。因此，物体的重力势能等于它所受重力与所处高度的乘积，即Ep=mgh。4、重力做功与重力势能变化的关系有了重力势能的表达式，我们就可以把上述重力所做的功的表达式写成WG=Ep1Ep2可见
4、，当物体向下运动时，重力做正功，WG0，则Ep1Ep2，即重力势能减少，重力势能减少的数量等于重力所做的功；当物体向上运动时，重力做负功（物体克服重力做功），WG0，则Ep1Ep2，即重力势能增加，重力势能增加的数量等于克服重力所做的功。5、重力势能是状态量、标量由重力势能的定义可知，重力势能跟物体与地球的相对位置有关。物体的位置发生了变化，物体的重力势能也就发生变化，所以重力势能是状态量。重力势能的变化量与重力所做的功相对应，而重力的功是标量，重力势能当然也是标量，其单位与功的单位相同，都是焦耳。6、重力势能具有相对性如果计算放在桌子上的物体具有多大的重力势能，可能不同的人会得出不同的结果。
5、这是因为，不同的人可能选择不同的水平面做参考。在选定的参考平面上的物体的重力势能就为0；物体在这个参考平面以上，重力势能就为某一正值；物体在这个参考平面以下，重力势能就为某一负值。对于放在桌子上的物体而言，如果以物体的重心所在的水平面为参考平面，该物体的重力势能就为0；如果以水平地面为参考平面，该物体的重力势能就为正值；如果以水平天花板为参考平面，该物体的重力势能就为负值。可见，由于重力势能的大小与参考平面的位置有关，而这个参考平面可以任意选取，所以重力势能具有相对性。重力势能参考平面的选取一般以解决问题时简便为原则，若无特别说明，通常以水平地面为参考平面。7、重力势能的变化与参考平面的选取无
6、关尽管重力势能的数值会因参考平面选取的任意性而具有不确定性，但这并不会我们对问题的研究。这是因为在研究具体问题时，我们所关心的往往不是物体具有多少重力势能，而是物体重力势能的变化，重力势能的变化才与做功及能量转换有关。事实上，选择不同的参考平面对重力势能的差值没有影响，也就是说，重力势能的变化与参考平面的选取无关。例如：图525中，若选取水平地面为参考平面，物体在初位置和末位置的重力势能分别为Ep1=mgh1,Ep2=mgh2，物体从初位置到末位置，重力势能的变化Ep=Ep2Ep1=mgh2mgh1=mg(h1h2)=mgh即重力势能减少了mgh。若选取物体的末位置所在水平面为参考平面，物体在
7、初位置和末位置的重力势能分别为Ep1=mgh,Ep2=0，物体从初位置到末位置，重力势能的变化Ep=Ep2Ep1=0mgh=mgh即重力势能减少了mgh。若选取物体的初位置所在水平面为参考平面，物体在初位置和末位置的重力势能分别为Ep1=0，Ep2=mgh，物体从初位置到末位置，重力势能的变化Ep=Ep2Ep1=mgh0=mgh即重力势能减少了mgh。可见，选取不同的参考平面，只影响物体重力势能的数值，而不影响重力势能的差值。8、重力势能属于物体和地球组成的系统重力是地球与物体相互吸引而引起的，如果没有地球队物体的吸引，就谈不上重力做功和重力势能。物体所在的高度是由物体同地球组成的系统内部的相
8、对位置所决定的，因此重力势能是这个系统的，而不是物体单独具有的。我们平常所说的“物体的重力势能”，只是一种习惯而简化的说法。9、关于分子势能和电势能分子势能是分子之间由于存在相互作用而具有的势能，由分子间的相对位置决定；电势能是由于电荷之间存在相互作用而具有的势能，有电荷间的相对位置决定。任何形式的势能都是相互作用的物体组成的系统所共有的，不是系统中的某一个物体单独具有的。【例题讲解】【例1】关于重力势能，以下说法中正确的是（）A某个物体处于某个位置，重力势能的大小是唯一确定的B重力势能为的物体，不可能对别的物体做功C物体做匀速直线运动时，重力势能一定不变D只要重力做功，重力势能一定变化【解析
9、】由重力势能的表达式Ep=mgh可知，由于高度h具有相对性，重力势能的大小也具有相对性，即处于某个位置的某个物体，在选择不同的参考平面时，重力势能的大小是不同的。重力势能的大小具有相对性，其大小与参考平面的选取有关，所以重力势能为的物体，是指物体处于参考平面上，并不能表明物体不具有做功的本领。如在地面上流动的一薄层水，若取地面为参考平面，则其重力势能为零，但当这些水流向更低处时仍可对别的物体做功。物体的重力势能是由物体的重力和物体的高度共同决定的，只要物体的高度发生变化，物体的重力势能就一定发生变化。例如，当物体沿斜面匀速下滑时，高度减小，重力势能将减小。重力的方向总是竖直向下的，重力做功时物
10、体的高度肯定发生变化，重力势能也一定发生变化。可见，正确选项为D。【例2】一条柔软的均匀链条质量为m，长度为l，平放在水平桌面上。用力提链条的一端将链条慢慢提起，直至末端将要离开桌面的过程中，拉力做的功为多少?【解析】拉力的大小时刻在变，是变力，它对链条做的功全部用来克服重力的作用，用于增加链条的重力势能。所以，只要能求出链条重力势能的增量，就能求出拉力所做的功。链条的末端将要离开地面时，链条的重心提高到离桌面的高度，其重力势能的增量为根据重力做功和重力势能变化的关系可知，克服重力做功拉力做的功等于克服重力做的功，即。【例3】在水平地面上平铺着n块相同的砖，每块砖的质量都为m，厚度为d。若将这
11、n块砖一块一块地叠放起来，至少需要做多少功？【解析】n块砖平铺在水平地面上时，系统重心离地的高度为。当将它们叠放起来时，系统重心离地的高度为。所以，至少需要做功。图42kFm【例4】如图42所示，质量为m物体静止在地面上，物体上面连着一个直立的轻质弹簧，弹簧的劲度系数为k。现用手拉住弹簧上端，使弹簧上端缓慢提升高度h，此时物体已经离开地面，求物体重力势能的增加量。【解析】物体离开地面后，弹簧的伸长量为可见，物体上升的高度为从而，物体重力势能的增加量为图43AB【例5】如图43所示，圆柱形水箱高为5m，容积为50m3，水箱底部接通水管A，顶部接通水管B。开始时箱中无水，若仅使用A管或仅使用B管慢
12、慢地将水注入，直到箱中水满为止，试计算两种情况下外界各需做多少功？（设需注入的水开始时均与箱底等高，g取10m/s2）【解析】注水的过程外力克服水的重力做功，增加了水的重力势能，由于是缓慢注水，水的动能不增加，所以外力做功数值上就等于水增加的重力势能。以H表示水箱的高度。水若从A管注入，整箱水的重心被升高，外界做功J=1.25106J水若从B管注入，整箱水应先升高到H的箱顶处，故外界做的功W2=2W1=21.25106J=2.5106J【例6】如图44所示，劲度系数为k1的轻质弹簧的两端分别与质量为m1、m2的物块1、2拴接，劲度系数为k2的轻质弹簧上端与物块2拴接，下端压在桌面上（不拴接），
13、整个系统处于平衡状态。现施力将物块1缓慢竖直上提，直到下面的那根弹簧刚好脱离桌面。在此过程中，两物体的重力势能分别增加了多少？图442k1k2m1m21【解析】下面的弹簧受到的压力大小为(m1+m2)g，弹簧的压缩量要使其离开桌面，物块2应上升高度x2，则物块2增加的重力势能为把物块1拉起的过程中，上面的弹簧是由压缩状态转为拉伸状态，其原先压缩的长度最终拉伸的长度则物块1提升的高度为所以，物块1增加的重力势能为【反馈练习】图45312Ah1如图45所示，某物块分别沿三条不同的轨道由离地高h的A点滑到同一水平面上，轨道1、2是光滑的，轨道3是粗糙的，则（）A沿轨道1滑下重力做功多B沿轨道2滑下重
14、力做功多C沿轨道3滑下重力做功多D沿三条轨道滑下重力做的功一样多2物体1的重力势能Ep1=3J，物体2的重力势能Ep2=3J，则（）AEp1=Ep2BEp1Ep2CEp1Ep2D无法判断3将同一物体分两次举高，每次举高的高度相同，则（）A不论选取什么参考平面，两种情况中，物体重力势能的增加量相同B不论选取什么参考平面，两种情况中，物体最后的重力势能相等C不同的参考平面，两种情况中。重力做功不等D不同的参考平面，两种情况中。重力最后的重力势能肯定不等4下列说法中正确的是（）A物体克服重力做功，物体的重力势能增加B物体克服重力做功，物体的重力势能减少C重力对物体做正功，物体的重力势能增加D重力对物
15、体做负功，物体的重力势能减少5物体在运动过程中，克服重力做功50J，则（）A物体的重力势能一定为50JB物体的重力势能一定增加50JC物体的重力势能一定减少50JD物体的重力势能可能不变6井深8m，井上支架高2m，在支架上用一根长3m的绳子系住一个重100N的物体，若以地面为参考平面，则物体的重力势能有多大？若以井底面为参考平面，则物体的重力势能又有多大？7质量为5kg的钢球，从离地15m高处自由下落1s，其重力势能变为多大？（g取10m/s2，取地面为参考平面）8高为a=1.6m，宽为b=1.2m的均匀长方体置于水平地面上，其质量为200kg，则要将其推翻，至少要做多少功？（g取10m/s2）图469如图45所示，若在湖水中固定一细长圆管，管内有一活塞，它的下底面位于水面上，活塞的底面积S=1cm2，质量不计，大气压强p0=1105Pa。现把活塞缓慢地提高h=5m，则拉力对活塞做多少功？图5312k1k2m1m21
