Номер 10, страница 155 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Механика. Глава 3. Законы сохранения в механике. Параграф 19. Энергия. Закон сохранения механической энергии - номер 10, страница 155.

Условие.

10. Расскажите, чем определяется выбор нулевого уровня потенциальной энергии.

Решение.

10. Решение

Потенциальная энергия $E_p$ является характеристикой взаимодействия тел или частей одного тела. В отличие от кинетической энергии, абсолютное значение потенциальной энергии не имеет физического смысла. Физический смысл имеет только изменение потенциальной энергии $\Delta E_p$ при перемещении тела из одного положения в другое. Работа, совершаемая консервативными силами (например, силой тяжести или силой упругости), равна изменению потенциальной энергии системы, взятому с обратным знаком:

$A = -\Delta E_p = -(E_{p2} - E_{p1})$

Из этой формулы видно, что если к потенциальной энергии в начальном и конечном состояниях прибавить одну и ту же произвольную постоянную величину $\text{C}$ (то есть $E_p' = E_p + C$), то разность потенциальных энергий (а следовательно, и работа) не изменится:

$\Delta E_p' = E_{p2}' - E_{p1}' = (E_{p2} + C) - (E_{p1} + C) = E_{p2} - E_{p1} = \Delta E_p$

Эта произвольность в выборе точки отсчета позволяет нам выбрать такое положение системы, в котором ее потенциальная энергия принимается равной нулю. Такое положение называется нулевым уровнем потенциальной энергии.

Таким образом, выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется исключительно соображениями удобства при решении конкретной физической задачи. Его выбирают так, чтобы максимально упростить математические вычисления.

Например, при решении задач о движении тел вблизи поверхности Земли (где используется формула $E_p = mgh$) за нулевой уровень часто принимают поверхность Земли, пол комнаты или самую нижнюю точку траектории тела. Для упруго деформированного тела (пружины) с потенциальной энергией $E_p = \frac{kx^2}{2}$ удобно считать энергию равной нулю, когда тело не деформировано. В задачах небесной механики и электростатики, где силы убывают с расстоянием, нулевой уровень потенциальной энергии обычно выбирают в точке, бесконечно удаленной от взаимодействующих тел.

Вне зависимости от выбора нулевого уровня, физические результаты, такие как работа, скорость или изменение энергии, будут одинаковыми.

Ответ: Выбор нулевого уровня потенциальной энергии определяется соображениями удобства для решения конкретной задачи. Он является произвольным, поскольку физический смысл имеет не само значение потенциальной энергии, а ее изменение. Нулевой уровень выбирают так, чтобы упростить формулы и расчеты.