如何计算弹簧的弹性势能
来源:江南全站appapp最新版
时间:2024-08-17 14:06:25
热度:
如何计算弹簧的弹性势能【专家解说】:弹簧的弹性势能表达式E=(12)*kx^2
设想在重力作用下,一个物体缓慢从地面升至高度h处。
在有限高度内,重力可视为恒量mg。不随高度的变
【专家解说】:弹簧的弹性势能表达式E=(1/2)*kx^2
设想在重力作用下,一个物体缓慢从地面升至高度h处。
在有限高度内,重力可视为恒量mg。不随高度的变化而变化。
因此 重力对物体所做的功为 -mgh。(重力与位移方向相反,所以功为负)
重力属于保守力,保守力所做的功 + 保守力势能 = 常量。
因此,重力势能的表达式为 mgh。(以地面为势能零点)
------------------------------
而对一个弹性系统,弹性恢复力 F = - kx。
(k为弹性恢复系数,x表示离开平衡位置的距离)。
与重力不同,弹性恢复力不是常量,随着位移x的变化而变化。
因此 这个题目需要微积分知识的基础。
距离平衡位置为x时,恢复力为 F = -kx,负号表示恢复力的方向是指向平衡位置。其中k为弹性恢复系数。
从平衡位置 到达x位置,恢复力所做的功为 恢复力与位移乘积 从0到x 的定积分。即
W = ∫F*dx = ∫-kx * dx = -kx^2/2 (从0到x)= - kx^2/2 - 0 = - kx^/2
恢复力属于弹性系统的内力,和重力一样,也属于保守力。
保守力所做的功 = 保守势能变化的负值
以平衡位置为势能零参考点。因此
弹性势能 E = -W = kx^2/2
===================================================
做 F---x 关系曲线。从这条直线的 起点和终点 分别向x轴做垂线。
那么由 这两条垂线、x轴、F--x曲线 围成了一个闭合图形。
这个图形的面积 就是 力F所做的功 W。
上面讲的这段 在中学 接触过没?如果没有的话,那就直接承认。对于知识储备不足而尚不能证明的理论,先暂且直接承认,这也是常用的学习方法。
对于本题目,
以 弹性力 F = -kx 作为y轴,
以 伸缩量 x 作为 x轴
F--x“曲线”是通过坐标原点的一条直线。
经从该直线的起点和终点向x轴做投影后,得到第四象限的一个三角形。
三角形的面积为
S = 底*高/2 = (x-0)*kx/2 = kx^2/2
由于力的方向与位移方向相反(同时也因为是在x轴下方),所以 F所做的功是面积的负值,即
W = -S = -kx^2/2
而弹性势能为
E = -W = kx^2/2
----------------------------------------------------
为什么说图像的面积就是弹簧弹性势能呢?
弹性势能的公式是中学阶段一个非常“基本”的物理公式,但在教科书上却见不到其推导过程。原因就在于其推导过程超出了中学生的知识范围。
求知欲强的学生 总是希望能知道其推导过程。但是把推导过程给出后,因为知识基础不够用,所以看不懂,会产生各种疑问。当这些疑问解决不了的时候,希望不要心急,因为你的知识储备不足。
简单回答你的疑问。
因变量F作为自变量x的函数,该曲线下的面积 就是 F所做的功。这是一个数学结论。
你可以设想,假设 F 是一个常量。那么经过位移 x-x0后,F所做的功就是 F*(x-x0)。现在把这个结论数学化! 依然做 F-x函数图象。那么图象是一条与 x 轴平行的直线。该直线距离x轴的距离就是F。因此 功 F(x-x0) 就在该函数图象上对应着 一个矩形的面积,而该矩形由从F直线的起点和终点向x轴做投影而形成。
上一段讨论中 F 是一个常量。F所做的功的表达式也因此很简单。而当 函数图象不在是与x轴平行时,F所做的功就等于 F关于x的积分。而“积分”这个数学概念在中学阶段还没有接触,所以你会很难理解。而在数学上,“积分”的结果依然是函数曲线向x轴做投影后所围成的图形的面积。
-
势能的大小与物体间的相互作用情况有关!这种说法对不对?为什么?(2024-08-17
-
如何计算液体的重力势能?2024-08-17
-
下列各物体同时具有动能和势能的是 A. 在水平轨道上匀速行驶的列车 B. 瀑布中飞速落下的流水 C. 课桌上静静躺着的物理课本 D. 被2024-08-17
-
电势能和电势和场强有什么关系?他们的特点谁能列举一下?2024-08-17
-
2x-8真空泵真空度不够的原因?换了新油,不漏气,新弹簧,缸体与阀片无磨损,运行10多分钟后真空度就不够2024-08-17
-
势能包括几大类。。具体是指什么呢?2024-08-17
-
请问高2物理的电势能的计算公式式什么?2024-08-17
-
小球从高处自由落下,2s后动能与重力势能相等,则物体是从_________m高的地方落下2024-08-17
-
下列物体同时具有动能和势能的是 A. 拉长的弹簧 B. 沿水平路面行驶的汽车 C. 投出的标枪 D. 站在地上的人2024-08-17
-
重力势能随着高度的增加而增加,但是这个“高度”是以什么为标准的?2024-08-17
-
初中物理动能势能问题2024-08-17
-
关于弹簧弹力和弹性势能的2024-08-17
-
小华玩蹦蹦杆时,小华的重力势能和弹性势能怎样变化2024-08-17
-
在零势能面下重力做功怎么计算2024-08-17
-
浮力做功是什么能转化为动能和势能?2024-08-17