對(duì)重力勢(shì)能影響因素的不同思考

付思林

【摘要】重力勢(shì)能（Gravitational potential energy）是指物體由于被舉高而具有的能，對(duì)于重力勢(shì)能，其大小由物體質(zhì)量、重力加速度和距離零勢(shì)能參考平面的高度決定。物體的質(zhì)量越大、距離零勢(shì)能面越高、做的功越多，而使物體具有的重力勢(shì)能越大，其表達(dá)式為：Ep=mgh。本文通過對(duì)重力勢(shì)能影響因素的分析，探究了質(zhì)量、重力加速度、高度以及阻力的影響思考，以期能夠更好運(yùn)用掌握重力勢(shì)能相關(guān)知識(shí)。

【關(guān)鍵詞】重力勢(shì)能;質(zhì)量;重力加速度;影響因素

重力勢(shì)能是物理學(xué)重要的基礎(chǔ)概念之一，它比較抽象難懂，對(duì)初、高中同學(xué)而言，想要完全認(rèn)識(shí)、熟悉并掌握它，具有一定難度，應(yīng)緊扣教材，從定義、概念開始著手，探究不同因素對(duì)重力勢(shì)能的影響，理解重力勢(shì)能與動(dòng)能的轉(zhuǎn)換，從而真正掌握能量守恒定律。

一、質(zhì)量對(duì)重力勢(shì)能的影響

關(guān)于研究不同因素對(duì)重力勢(shì)能的影響，通常采用控制變量法。控制變量法指的是每次實(shí)驗(yàn)時(shí)只改變一個(gè)可變量，控制其余幾個(gè)因素恒定，而研究被改變的因素對(duì)事物的影響，后逐一給以研究，最終綜合解決。在起始階段，探究重力勢(shì)能的影響因素時(shí)，用的是模擬打樁，讓重錘從樁正上方的某一高度處自由下落，將樁打入沙中，通過對(duì)比樁進(jìn)入沙子的深度來反映重錘重力勢(shì)能的大小。在探究重力勢(shì)能與質(zhì)量的關(guān)系時(shí)，用不同質(zhì)量的重錘從同一高度處自由下落，比較樁陷入沙子的深度來體現(xiàn)重力勢(shì)能的大小。實(shí)驗(yàn)表明：在同一位置，相同高度時(shí)，重錘的質(zhì)量越大，樁陷入沙子的深度越深。由此表明，當(dāng)物體重力加速度和距離零勢(shì)能參考平面相同時(shí)，物體質(zhì)量越大，重力勢(shì)能越大。

然而，重力勢(shì)能是否真的跟質(zhì)量有關(guān)。如果你拿著這個(gè)問題去問物理老師，或者物理界的專家，也許他們對(duì)這一問題會(huì)不以為然，更甚者，他們會(huì)一致回答道：“物體的重力勢(shì)能與物體的質(zhì)量和高度相關(guān)，質(zhì)量越大，高度越高，它具有的重力勢(shì)能就越大”，課本中便是如此寫的。

筆者的疑惑是：在同一個(gè)地點(diǎn)，重力加速度g值相同，也就是說質(zhì)量相同的重錘，它們的重力也是相同的，為什么一定是跟質(zhì)量成正比而不說是與重力成正比。假如將此實(shí)驗(yàn)搬到月球上去做，同樣的高度，質(zhì)量相等的重錘，它們將樁打入沙子的深度就一樣嗎？眾所周知月球上的物體重力比在地球上小得多，重錘打在樁上的力同樣也比在地球上要小，力的大小是力的三要素之一。力的大小不同，作用效果也不同。這是不是就可以說明影響重力勢(shì)能的因素不是質(zhì)量而是重力了呢？如果這些還不能讓你信服，那么重力勢(shì)能的計(jì)算公式是什么？功的計(jì)算公式是W=Fs，決定做功多少的是力而不是質(zhì)量。而m與g的乘積便是重力G，那這樣是不是就可以說成重力勢(shì)能與重力成正比？

二、重力加速度g對(duì)重力勢(shì)能的影響

同樣采用上述的模擬打樁方式，讓相同重錘從樁正上方的同一高度處自由下落，將樁打入沙中，通過樁陷入沙子的深度來反映重錘重力勢(shì)能的大小。與之變化的是這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)在分在不同的地方進(jìn)行，一項(xiàng)在地球表面進(jìn)行，另一項(xiàng)在月球表面進(jìn)行，眾所周知，月球表面重力加速度較地球小，實(shí)驗(yàn)可得：在相同重錘、同一高度時(shí)，重力加速度越大，樁陷入沙子的深度越深。由此可見，當(dāng)物體質(zhì)量和距離零勢(shì)能參考平面相同時(shí)，重力加速度越大，重力勢(shì)能越大。

如果按照上述觀點(diǎn)，那么重力勢(shì)能的公式應(yīng)該可以直接寫成E=Gh，那為什么還要獨(dú)立討論重力加速度g對(duì)重力勢(shì)能的影響，直接討論重力和高度不就可以決定了嗎？這樣不是前后矛盾嗎？不矛盾，上述是把兩個(gè)概念合起來討論，現(xiàn)在是拆分出來單獨(dú)討論，簡(jiǎn)而言之，這里的討論是為上述觀點(diǎn)的拆分，通過這樣的拆分，可以更加看客、準(zhǔn)確的去理解其間的相互影響、相互作用。

三、距離零勢(shì)能參考平面的高度對(duì)重力勢(shì)能的影響

在同一位置，讓相同重錘從樁正上方的不同一高度處自由下落，將樁打入沙中，通過樁陷入沙子的深度來反映重錘重力勢(shì)能的大小。實(shí)驗(yàn)表明：在同一位置，相同重錘時(shí)，重錘的高度越高，樁陷入沙子的深度越深。由此表明，當(dāng)物體重力相同時(shí)，物體距離參考平面越高，重力勢(shì)能越大。

四、阻力對(duì)重力勢(shì)能的影響

當(dāng)然以上實(shí)驗(yàn)均基于理想狀態(tài)下，即在不考慮物體在下落過程中的空氣阻力等多方面的影響下得出的結(jié)果，然而在現(xiàn)實(shí)生活中，空氣阻力是無法避免的，是時(shí)刻存在的。當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)的速度越大，空氣阻力的影響就越大，重力勢(shì)能相應(yīng)的就減小。同時(shí)，風(fēng)速的大小以及風(fēng)速的方向也會(huì)相應(yīng)的影響重力勢(shì)能。所以說重力勢(shì)能與物體質(zhì)量、重力加速度和距離零勢(shì)能參考平面的高度不應(yīng)是等號(hào)，而應(yīng)該是小于號(hào)。

五、結(jié)語

理想狀態(tài)下，物體的重力勢(shì)能等于物體的質(zhì)量與重力加速度和物體距離零勢(shì)能參考平面的高度的乘積，即Epmgh。然而在實(shí)際條件中，物體在下落過程中，會(huì)受空氣阻力等多因素的影響，所以物體的重力勢(shì)能應(yīng)是小于物體的質(zhì)量與重力加速度和物體距離零勢(shì)能參考平面的高度的乘積。通過本文深入了解勢(shì)能、重力加速度、能量等概念，能夠提高物理學(xué)習(xí)效率，升華學(xué)生的物理素養(yǎng)。

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