ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 7 класс · § 41
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 41. Расчет потенциальной энергии

Как выбор нулевой высоты меняет число джоулей, не меняя физическую ситуацию?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Как выбор нулевой высоты меняет число джоулей, не меняя физическую ситуацию?

Наблюдаем и объясняем

Передвигаем нулевой уровень

Меняй высоту тела и нулевой уровень независимо. Само тело не сдвигается при изменении только нуля.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

2 кг
6 м
2 м

Принято g = 10 Н/кг; П = mg(z − z₀). Отдельно показано изменение энергии при подъёме на 1 м: оно от выбора нуля не зависит.

01

Формула у поверхности Земли

При практически постоянном g гравитационную потенциальную энергию записывают П = mgh, если h отсчитана от выбранного нулевого уровня. Здесь П — обозначение потенциальной энергии в учебнике.

Для m = 2 кг, g = 10 Н/кг и h = 3 м получаем П = 60 Дж. Формула описывает систему «Земля — тело» в приближении небольших по сравнению с радиусом Земли высот.

Масса

2 кг

Высота над нулём

3 м

Энергия

П = 2 · 10 · 3 = 60 Дж

Вблизи поверхности Земли потенциальную энергию рассчитывают по П = mgh.

Если высота дана в сантиметрах, можно ли сразу подставить число?

Для ответа в джоулях при массе в кг и g в Н/кг высоту переводят в метры.

02

Назначаем нулевой уровень

Если нулём выбран пол, предмет на столе имеет положительную энергию. Если нулём выбран уровень выше предмета, его h и потенциальная энергия будут отрицательными.

Отрицательное значение не означает «невозможную энергию». Это результат выбранного начала отсчёта. В модели используется П = mg(z − z₀), где z₀ — высота нулевого уровня.

Назначаем нулевой уровень: сравнение
Положение относительно выбранного нуляhП
ВышеПоложительнаяПоложительная
На уровне00
НижеОтрицательнаяОтрицательная

Нулевой уровень задаётся выбором; отрицательная потенциальная энергия допустима.

Изменится ли сила тяжести, если передвинуть мысленную нулевую линию?

Нет. Меняются только численные значения энергии относительно выбранного уровня.

Контейнерный терминал Роттердама

Энергия подъёма определяется массой и вертикальным перепадом высот.

VileGecko · CC BY-SA 3.0 · Источник фотографии.

Плотина Фостер и водохранилище

Для расчёта используют высоту относительно выбранного нулевого уровня.

U.S. Army Corps of Engineers · Общественное достояние · Источник фотографии.

03

Изменение энергии

При подъёме из h₁ в h₂ изменение равно ΔП = mg(h₂ − h₁). В разности произвольный общий нулевой уровень сокращается.

Для груза 2 кг при подъёме с 1 до 4 м и g = 10 Н/кг прирост равен 60 Дж. При равномерном подъёме без потерь такую положительную работу совершает поднимающая сила.

Разность высот

4 − 1 = 3 м

Прирост энергии

2 · 10 · 3 = 60 Дж

Работа тяжести

−60 Дж при подъёме

Изменение потенциальной энергии зависит от разности высот.

Если груз опустился на ту же высоту, что с ΔП?

Изменение отрицательно и равно −60 Дж для этого примера; работа тяжести положительна.

04

Проверяем зависимость

При том же g и той же высоте удвоение массы удваивает энергию. При той же массе удвоение положительной высоты над выбранным нулём тоже удваивает её.

Путь подъёма может быть прямым или наклонным. Работа силы тяжести между двумя положениями в этой модели зависит от разности высот, а не от формы траектории. Работа других сил может зависеть от пути.

Проверяем зависимость: сравнение
ИзменениеРезультат при прочих равных
Масса ×2П ×2
Высота над тем же нулём ×2П ×2
Тот же перепад высот, другой путьТа же работа тяжести

Работа тяжести определяется перепадом высот, а не длиной маршрута.

По лестнице и лифтом на один этаж: всегда ли затраты энергии человека равны?

Нет. Одинаково изменение гравитационной потенциальной энергии тела при тех же начальной и конечной высотах; физиологические и технические затраты различны.

Соберём главное

Шесть выводов

01Вблизи поверхности Земли потенциальную энергию рассчитывают по П = mgh.
02Нулевой уровень задаётся выбором; отрицательная потенциальная энергия допустима.
03Изменение потенциальной энергии зависит от разности высот.
04Работа тяжести определяется перепадом высот, а не длиной маршрута.
05Вычисление требует явно выбранного нулевого уровня и значения g.
06Смена нуля энергии не меняет её разность между двумя положениями.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Потенциальная энергия у поверхности Земли равна…
2. m = 2 кг, g = 10 Н/кг, h = 3 м. П?
3. При той же высоте масса ×2. П…
4. Положительная высота над тем же нулём ×2. П…
5. Ниже выбранного нулевого уровня П может быть…
6. Смена нуля изменяет физическую силу тяжести?
7. 2 кг подняли с 1 до 4 м при g = 10. ΔП?
8. Работа тяжести в предыдущем подъёме?
9. Работа тяжести между теми же высотами зависит от формы пути?
10. Для ответа в Дж высоту при кг и Н/кг выражают в…

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 7 класс», § 41. Тема и содержание сверены с файлом «7 класс. Физика — § 41. Расчет потенциальной энергии.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.

↑

Загрузка прогресса…