彈性勢能
當物體在恒定力的作用下移動一定距離時,力對物體所作的功等于力與位移的乘積。如果我們畫出力與位移的關系圖,可以發現恒定力F與位移L的乘積等于圖與圖中橫軸所圍成的“面積”的值。利用這種方法,我們可以分析彈簧力所作的功。
一根兩端固定、剛度系數為k的輕彈簧,在自由狀態下,端點位置為x0。若將彈簧拉至位置x2,并固定在某物體上,松開該物體,物體在彈力作用下向左移動到位置x1。在此過程中,彈簧力做了多少功?
以彈簧原始長度時的端點位置為起點建立坐標系,橫軸、縱軸分別表示彈簧伸長量和彈力,由胡克定律可知彈簧力與伸長量成正比,二者關系圖為一條過原點的斜線,兩個位置對應的彈力分別為kx2、kx1。
現在,我們把位移分成很多小段,在每一個小段中,彈力都看成是一個恒定的力。那么,彈力所做的功,也就是力和位移的乘積,就相當于我們在開頭提到的小矩形的“面積”值。把小矩形的“面積”累加起來,就接近于彈力在這個過程中所做的功。如果段數足夠多,彈力所做的功就會趨近于圖中梯形的“面積”值。理論上來說,梯形的“面積”值就等于彈力在這個位移中所做的功。
這樣,我們很容易得出彈力所做的功等于
可見,彈簧彈力所作的功只與其初、終狀態有關彈性勢能與什么有關,或者說,彈簧彈力所作的功改變了這個量的大小,而這個量的大小是由彈簧本身決定的網校頭條,似乎還包含著某種特殊的含義。這種特殊的含義一是它與彈簧對外做功的能力有關,二是它隨著彈簧自身的變形而變化,具有勢能的基本特征。因此,我們把這個物理量定義為彈性勢能,用符號Ep來表示,Ep=…,單位為焦耳,與功的單位一致。
從上面的例子我們可以看出,當彈力做正功時,彈簧的彈性勢能會減少,減少的彈性勢能等于彈力所作的功。
需要指出的是,彈性勢能與重力勢能以及其他勢能一樣彈性勢能與什么有關,是由相應物體系統中物體之間的相對位置和相互作用力決定的。
好了,現在你知道了彈性勢能的定義,你在解決彈簧問題時會更有信心!