Номер 1, страница 144 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Приведите примеры выбора нулевого уровня отсчёта потенциальной энергии, относительно которого потенциальная энергия тела будет иметь отрицательные значения.

Решение

Потенциальная энергия тела в поле тяготения Земли вычисляется по формуле $E_p = mgh$, где $m$ — масса тела, $g$ — ускорение свободного падения, а $h$ — высота тела относительно выбранного нулевого уровня отсчёта.

Значение потенциальной энергии, в том числе и её знак, зависит от выбора этого нулевого уровня. Потенциальная энергия тела будет иметь отрицательное значение, если тело находится ниже выбранного нулевого уровня. В этом случае высота $h$ будет отрицательной ($h < 0$), и, следовательно, произведение $mgh$ также будет отрицательным (так как $m > 0$ и $g > 0$).

Таким образом, для того чтобы потенциальная энергия тела была отрицательной, необходимо выбрать нулевой уровень отсчёта выше того положения, в котором находится тело. Приведём несколько примеров:

1. Тело на дне колодца. Если за нулевой уровень отсчёта потенциальной энергии принять поверхность земли, то для тела, находящегося на дне колодца, высота $h$ будет отрицательной. Соответственно, его потенциальная энергия $E_p$ относительно поверхности земли будет отрицательной.

2. Предмет в подвале. Если за нулевой уровень принять пол первого этажа здания, то любой предмет, находящийся в подвале, будет расположен на отрицательной высоте $h$. Его потенциальная энергия относительно пола первого этажа будет отрицательной.

3. Водолаз под водой. Если за нулевой уровень принять поверхность воды в море или озере, то водолаз, находящийся на некоторой глубине, будет иметь отрицательную координату высоты $h$. Его потенциальная энергия будет отрицательной.

4. Книга на нижней полке. Если в книжном шкафу за нулевой уровень принять среднюю полку, то потенциальная энергия книги, стоящей на любой полке ниже средней, будет отрицательной.

Ответ: Чтобы потенциальная энергия тела была отрицательной, нужно выбрать нулевой уровень отсчёта выше положения тела. Примерами могут служить: тело на дне колодца, если нулевой уровень — поверхность земли; предмет в подвале, если нулевой уровень — пол первого этажа; водолаз под водой, если нулевой уровень — поверхность воды.