自然科学/重力势能

能量

从现在开始，我们将开始讨论能量。本节要讨论的是重力势能，但是，在讨论之前，我们有必要做一些最基本的解释，让你明白一些基本的问题：

1. 能量这个概念究竟是什么？
2. 为什么我们要定义能量这个物理量？
3. 不同的能量之间有什么关系？

在开始之前，我们有必要说明，科学家对能量的探索过程绝对和本书的讲述顺序不一样。能量探索的过程是一个漫长的过程，得到的结论也是伟大的。世界上有各种形式的能量，每一位科学家涉足的领域却有限，因此统一能量这个概念是相当不容易的。

首先，我们要说的是，我们讲到的能量和你平时理解的能量并不一样。在一些读者的认知中，能量是客观存在的，并且非常直观——例如燃烧的木炭发出热代表木炭具有能量。通俗地讲，读者平时理解的能量，就如同客观存在的一种“法力”。实际上，能量，至少在经典物理中，和其他的物理量没有本质的不同，都是科学家为了研究现象而凭空捏造的物理量。这样做的目的我们已经再三讲述过：为了准确描述、分析现象。但是，能量仿佛确实是客观存在的，因为它确实能够量化物体具有的一种内在的量，例如我们常说的内能、动能、电能等。我们定义的物理量“能量”和物体所具有的某种神秘“能量”实际上已经不再区分，两个概念的出现也没有先后顺序，都是相辅相成的。

现在我们来明确的回答我们开始提出的三个问题。

能量这个概念究竟是什么？

能量是一个人为定义的物理量。但是能量确实能准确表示物体所具有的某种特性。

为什么我们要定义能量这个物理量？

为了描述、分析一些现象。

不同的能量之间有什么关系？

不同的能量类型都是相互独立定义的。但是这些定义的能量都各自能能表示物体所具有的一种特性，并且这种特性存在一定的关系。

对于第三个问题，我们想要做进一步解释。例如，我们即将研究的重力势能、动能都是相互独立定义的，定义上二者没有任何关系。但是，重力势能、动能都能表示物体所具有的一种特种，一种神秘的“法力”，并且，二者各自所代表的“法力”能够相互转换。在今后的研究中，我们没必要准确区分能量和这种“法力”，但读者应当知道这套体系是如何来的。

为了使能量有意义，我们定义的任何能量均为标量，且其量纲相同，即其单位为相同的基本的单位以相同的方式符合而成。能量的基本单位是焦耳（J）。

重力势能

物体重力势能定义为

$$E_{p}=mgh$$其中$m$为物体的距离地面的高度，$g$为星球表面的重力加速度大小，$h$为物体距离参考平面的高度。如果你希望，可以将$g$和$h$换位相同方向的矢量。

对于以上定义，我们知道重力势能是标量。参考平面是可以随意选择的，参考平面的不同，使得计算出的重力势能也不同。除此之外，物体可能位于参考平面的下方，此时物体的重力势能的值为负。

由于静止在空中的物体，在仅受到重力时会自由落体，且落地的时的速度与物体的高度有关，我们直觉认为，处于高位置的物体，本身即包含一种能量，这就是重力势能。如今，我们给予了重力势能量化的表示，但仅仅一个重力势能，可能并不能代表什么，不过，我们很快就将揭示它与动能的关系。