Номер 5, страница 195 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Механика. Глава 4. Законы сохранения в механике. Параграф 33. Потенциальная энергия. Вопросы - номер 5, страница 195.

Условие.

5. Может ли потенциальная энергия системы «тело — Земля» быть отрицательной? Приведите примеры.

Решение.

Да, потенциальная энергия системы «тело — Земля» может быть отрицательной.

Значение потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня — уровня, на котором потенциальная энергия условно считается равной нулю. Абсолютная величина потенциальной энергии не имеет физического смысла, важно лишь ее изменение при перемещении тела. Выбор нулевого уровня произволен и диктуется удобством решения конкретной задачи.

Вблизи поверхности Земли потенциальная энергия вычисляется по формуле $E_п = mgh$, где $m$ — масса тела, $g$ — ускорение свободного падения, а $h$ — высота над выбранным нулевым уровнем.

Если тело находится ниже выбранного нулевого уровня, то его высота $h$ будет отрицательной ($h < 0$), и, следовательно, его потенциальная энергия $E_п$ также будет отрицательной.

Примеры:

1. Если за нулевой уровень принять поверхность Земли ($h=0$), то тело, находящееся на дне колодца или в шахте, будет иметь отрицательную высоту и, соответственно, отрицательную потенциальную энергию.

2. Если за нулевой уровень принять поверхность стола, то книга, лежащая на полу под столом, будет обладать отрицательной потенциальной энергией относительно стола.

3. В астрономии и космонавтике за нулевой уровень потенциальной энергии обычно принимают бесконечно удаленную точку. В этом случае потенциальная энергия любого тела в гравитационном поле Земли (например, Луны или искусственного спутника) всегда отрицательна. Это означает, что система гравитационно связана, и для разделения тел на бесконечно большое расстояние необходимо совершить положительную работу.

Ответ: Да, потенциальная энергия системы «тело — Земля» может быть отрицательной. Это зависит от выбора нулевого уровня отсчета высоты. Если тело находится ниже нулевого уровня, его потенциальная энергия отрицательна. Например, тело на дне колодца имеет отрицательную потенциальную энергию, если за нулевой уровень принята поверхность земли.