Номер 2, страница 150 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

2. Что такое нулевой уровень потенциальной энергии?

Что такое нулевой уровень потенциальной энергии?

Потенциальная энергия – это энергия, которой обладает тело или система тел вследствие их взаимного расположения или конфигурации. Важной особенностью потенциальной энергии является то, что её абсолютное значение не имеет физического смысла. Физический смысл имеет только изменение потенциальной энергии ($ΔE_p$), которое равно работе, совершаемой консервативными силами (например, силой тяжести или силой упругости) при изменении положения или конфигурации системы.

Поскольку важна лишь разность потенциальных энергий, мы можем произвольно выбрать такое положение или состояние системы, в котором её потенциальная энергия считается равной нулю. Это положение и называется нулевым уровнем потенциальной энергии.

Выбор нулевого уровня диктуется исключительно соображениями удобства для решения конкретной задачи. Физические результаты, такие как изменение скорости тела или совершенная работа, от этого выбора не зависят.

Рассмотрим несколько примеров:

• Гравитационная потенциальная энергия вблизи поверхности Земли. Потенциальная энергия тела массой $m$, поднятого на высоту $h$ над некоторым уровнем, вычисляется по формуле $E_p = mgh$. В качестве нулевого уровня ($h=0$) можно выбрать поверхность Земли, пол комнаты, поверхность стола и т.д. Если тело находится выше нулевого уровня, его потенциальная энергия положительна. Если ниже (например, в яме), то его потенциальная энергия будет отрицательной.
• Гравитационная потенциальная энергия в астрономии. При рассмотрении взаимодействия небесных тел (планет, звезд) нулевой уровень потенциальной энергии принято выбирать на бесконечно большом расстоянии друг от друга. В этом случае потенциальная энергия взаимодействия двух тел массами $M$ и $m$, находящихся на расстоянии $r$ друг от друга, всегда отрицательна и равна $E_p = -G\frac{Mm}{r}$. Когда $r \to \infty$, то $E_p \to 0$.
• Потенциальная энергия упругой деформации. Для пружины с жесткостью $k$, деформированной на величину $x$, потенциальная энергия равна $E_p = \frac{kx^2}{2}$. Здесь нулевой уровень естественным образом соответствует состоянию, когда пружина не деформирована ($x=0$).

Таким образом, выбор нулевого уровня – это математический прием, который упрощает расчеты, позволяя установить точку отсчета для потенциальной энергии.

Ответ: Нулевой уровень потенциальной энергии — это условно выбранное положение тела или конфигурация системы, в которой потенциальная энергия принимается равной нулю. Выбор этого уровня произволен и делается для удобства решения задачи, так как физический смысл имеет только изменение потенциальной энергии, а не ее абсолютное значение.