自然科學/重力勢能

能量

從現在開始，我們將開始討論能量。本節要討論的是重力勢能，但是，在討論之前，我們有必要做一些最基本的解釋，讓你明白一些基本的問題：

1. 能量這個概念究竟是什麼？
2. 為什麼我們要定義能量這個物理量？
3. 不同的能量之間有什麼關係？

在開始之前，我們有必要說明，科學家對能量的探索過程絕對和本書的講述順序不一樣。能量探索的過程是一個漫長的過程，得到的結論也是偉大的。世界上有各種形式的能量，每一位科學家涉足的領域卻有限，因此統一能量這個概念是相當不容易的。

首先，我們要說的是，我們講到的能量和你平時理解的能量並不一樣。在一些讀者的認知中，能量是客觀存在的，並且非常直觀——例如燃燒的木炭發出熱代表木炭具有能量。通俗地講，讀者平時理解的能量，就如同客觀存在的一種「法力」。實際上，能量，至少在經典物理中，和其他的物理量沒有本質的不同，都是科學家為了研究現象而憑空捏造的物理量。這樣做的目的我們已經再三講述過：為了準確描述、分析現象。但是，能量彷彿確實是客觀存在的，因為它確實能夠量化物體具有的一種內在的量，例如我們常說的內能、動能、電能等。我們定義的物理量「能量」和物體所具有的某種神秘「能量」實際上已經不再區分，兩個概念的出現也沒有先後順序，都是相輔相成的。

現在我們來明確的回答我們開始提出的三個問題。

能量這個概念究竟是什麼？

能量是一個人為定義的物理量。但是能量確實能準確表示物體所具有的某種特性。

為什麼我們要定義能量這個物理量？

為了描述、分析一些現象。

不同的能量之間有什麼關係？

不同的能量類型都是相互獨立定義的。但是這些定義的能量都各自能能表示物體所具有的一種特性，並且這種特性存在一定的關係。

對於第三個問題，我們想要做進一步解釋。例如，我們即將研究的重力勢能、動能都是相互獨立定義的，定義上二者沒有任何關係。但是，重力勢能、動能都能表示物體所具有的一種特種，一種神秘的「法力」，並且，二者各自所代表的「法力」能夠相互轉換。在今後的研究中，我們沒必要準確區分能量和這種「法力」，但讀者應當知道這套體系是如何來的。

為了使能量有意義，我們定義的任何能量均為標量，且其量綱相同，即其單位為相同的基本的單位以相同的方式符合而成。能量的基本單位是焦耳（J）。

重力勢能

物體重力勢能定義為

$$E_{p}=mgh$$其中$m$為物體的距離地面的高度，$g$為星球表面的重力加速度大小，$h$為物體距離參考平面的高度。如果你希望，可以將$g$和$h$換位相同方向的矢量。

對於以上定義，我們知道重力勢能是標量。參考平面是可以隨意選擇的，參考平面的不同，使得計算出的重力勢能也不同。除此之外，物體可能位於參考平面的下方，此時物體的重力勢能的值為負。

由於靜止在空中的物體，在僅受到重力時會自由落體，且落地的時的速度與物體的高度有關，我們直覺認為，處於高位置的物體，本身即包含一種能量，這就是重力勢能。如今，我們給予了重力勢能量化的表示，但僅僅一個重力勢能，可能並不能代表什麼，不過，我們很快就將揭示它與動能的關係。