逍遥学能 2016-04-01 08:45
一个质量为m的物体，置于高出地面h处，通常就说“这个物体具有的势能为Ep=mgh”。对此，似乎不会有人提出异议，但实际上这里还存在两个问题并没有作出明确交待。这两个问题是：⑴重力势能Ep是属于物体所有的吗？⑵重力势能Ep的量值必为“mgh”吗？其实，从实质上说这两个问题的答案都是否定的。人们之所以对上述说法不持异议，无非是大家“约定”了怎样理解而已。
一、重力势能属物体和地球所组成的系统，
我们知道，物体重力势能的变化是重力作功的结果，而重力是地球和物体之间的吸引力。因此，可以设想，如果没有地球对物体的重力作用，也就谈不上重力作功和重力势能的问题，例如，离开了地球作用范围的宇宙飞船，也就无所谓重力势能了。所以说，重力势能并不是物体单方面所有，（而是属于物体和地球所组成的物体系统所共有的）。表达式Ep=mgh中的重力“mg”和高度“h”，都是与物体和地球两个方面同时相关联的，离开任何一方都不行。物理学中常常把这种彼此具有相互作用的物体组看作一个整体，称之为力学系统。势能Ep=mgh，实际上是属于物体和地球所组成的重力系统所有的，通常略去“系统”的两字，简单地说成是物体的重力势能。
由于人们本身生活在地球上，而且地球的质量远远大于物体的质量，因此，在物体和地球相互作用的过程中，只能直观地觉察到物体受地球的吸引而运动，而不可能觉察到地球也同时在物体的吸引之下而运动，于是人们根据举高了的物体落下来时对其它物体作功的事实，就把重力系统?“物体和地球”所具有的势能说成是“物体的势能”。虽然，这种说法是不确切的。但是这对问题的叙述却带来了方便，而又不影响对具体问题的分析讨论，所以无形中就成为大家“约定”的表述方式了。
不仅重力系统具有势能，而且凡是一个系统，只要内部各个物体（或同一物体内部的各个部分）之间存在着相互作用力，并且当它们的相对位置改变时，这种作用力所作的功只决定于系统的初始和终了位置，而与相对位置改变过程的具体途径无关，那么这个系统就具有势能。重力系统之所以具有势能，就因为物体与地球之间存在相互吸引力，而且地球的引力?重力作的功，只决定于物体的初始位置和终了的位置，而与移动的具体途径无关。
二、重力势能的相对意义。
我们知道，任何势能的量值都是相对的。重力势能的量值公式：Ep=mgh也只有相对意义，因为零势能参考平面的选择是任意的。所谓物体在高度为h处的势能等于“mgh”，其前提就是事先规定了物体在地面上时的势能为零。如果选择离地平面的高度为h0的水平面作为势能等于零的参考面，那么同样把物体置于离地面高度为h的地方，其势能值就不是“mgh”了，而是Ep=mg(h-h0)。所以说：“mgh”式中的“h”是个相对量，从实质上说，它代表的是物体的位置与规定的零势能参考平面之间的竖直高度差。只有当规定物体在地面上时的势能为零时，“mgh”式中的“h”才等于物体的位置离地面的高度。
但应当指出，虽然“mgh”中的“h”，与零势能参考面的选择有关，但空间两点的势能差不是相对的，而是唯一确定的，与零势能参考面的选择无关。
可见，重力势能具有相对意义。在计算重力作动时，势能为零的参考面（基准面）的选取是可以任意的。换句话说，不管零势能参考面如何选择，物体在空间两点的势能之差是唯一确定的。