弹性势能
当物体在恒定力的作用下移动一定距离时,力对物体所作的功等于力与位移的乘积。如果我们画出力与位移的关系图,可以发现恒定力F与位移L的乘积等于图与图中横轴所围成的“面积”的值。利用这种方法,我们可以分析弹簧力所作的功。
一根两端固定、刚度系数为k的轻弹簧,在自由状态下,端点位置为x0。若将弹簧拉至位置x2,并固定在某物体上,松开该物体,物体在弹力作用下向左移动到位置x1。在此过程中,弹簧力做了多少功?
以弹簧原始长度时的端点位置为起点建立坐标系,横轴、纵轴分别表示弹簧伸长量和弹力,由胡克定律可知弹簧力与伸长量成正比,二者关系图为一条过原点的斜线,两个位置对应的弹力分别为kx2、kx1。
现在,我们把位移分成很多小段,在每一个小段中,弹力都看成是一个恒定的力。那么,弹力所做的功,也就是力和位移的乘积,就相当于我们在开头提到的小矩形的“面积”值。把小矩形的“面积”累加起来,就接近于弹力在这个过程中所做的功。如果段数足够多,弹力所做的功就会趋近于图中梯形的“面积”值。理论上来说,梯形的“面积”值就等于弹力在这个位移中所做的功。
这样,我们很容易得出弹力所做的功等于
可见,弹簧弹力所作的功只与其初、终状态有关弹性势能与什么有关,或者说,弹簧弹力所作的功改变了这个量的大小,而这个量的大小是由弹簧本身决定的网校头条,似乎还包含着某种特殊的含义。这种特殊的含义一是它与弹簧对外做功的能力有关,二是它随着弹簧自身的变形而变化,具有势能的基本特征。因此,我们把这个物理量定义为弹性势能,用符号Ep来表示,Ep=…,单位为焦耳,与功的单位一致。
从上面的例子我们可以看出,当弹力做正功时,弹簧的弹性势能会减少,减少的弹性势能等于弹力所作的功。
需要指出的是,弹性势能与重力势能以及其他势能一样弹性势能与什么有关,是由相应物体系统中物体之间的相对位置和相互作用力决定的。
好了,现在你知道了弹性势能的定义,你在解决弹簧问题时会更有信心!