为什么引力势能和重力势能是负的而重力势能却是正的

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2016-11-12 10:09 标签： 引力势能为什么是负的
为什么引力势能的表达式是E=-GMm/r?为什么一定要加上负号呢?这是怎么弄出来的,就是不知道为什么要加上负号!那为什么重力势能E=MGH呢?是因为以地面为零势面吗?就是因为引力势能把无穷远设为零势面,所以就加上负号了,
矮子乐agdg卭
因为无穷远处物体的引力势能为零从无穷远到地球表面,引力做正功,引力势能减小,所以减小成负的了我也补充一下吧,我很久没看物理了,呵呵1,势能的大小确实和0势能面的选取有关,而选取合适的0势能面有时能够简化计算,就是说零势能面的选取不一定非要一成不变,可以具体问题具体分析,在某些题中你可以选择距离地面50米的地方为零势能面,没关系,只要在这一题里保持一致就行了,因为重要的往往不是势能本身,而是势能差,这个差就和选取的位置无关了.
注意,这里说的是势能,所有的势能,不只是重力势能,电势能,磁力的势能,等等（其实处再场里的具有某种特性的物体均有势能,例如有质量的物体处于地球周围的重力场里,它就具有重力势能,具有电量的物体处在电场里就具有电势能……）2,以地面为零势能面,地面以上的物体的势能就是大于零了,正确,把零势能面选在无穷远,地球附近的物体的势能为负,就也是正确的,这我前面解释过了.以上也是我高中时候想到的,到了大学,回头看看,还真有点那么个意思,不过有了微积分的知识,你对场的理解会更深,对势能的理解也就明白了.
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重力势能是个相对势能,所以有正负之分.·也就是跟你选取的零势能界面有关系.界面往上是正值,界面以下是负值,存在两个方向的关系.弹性势能确实个绝对势能,不存在方向性的.为什么不存在方向性的关系,你看,弹簧只有两种状态,一个是正常状态,没有被拉伸或压缩,这个时候是没有弹性势能,还有就是被压缩或拉伸,这个时候存在弹性势能,总的来说,只存在两种状态,一个有弹性势能,另一个没有弹性势能,没有方向概念.引力势能与重力势能有区别的.引力势能是单方向的,有方向性,但是只有一个方向,所以只有负值,选取一个点作为定点（零势能点）,其他任何方向到达这个点的距离所产生的势能,都为负值.为什么是负值,两个方面的考虑,第一,选取的这个点的势能为零；第二,方便研究计算.
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引力势能质疑解惑
引力势能质疑解惑 &&别世富
1、别扭的引力势能
物理认为：在地球引力场和氢核库伦场有心引力系统中，航天器与电子皆具有负引力势能；且物理学中通常把无穷远处定为势能零点，因为势能是相对的——
航天器m与地球M是一个机械能守恒系统，且无穷远处（记为r∞）为引力势能的零势能点，航天器的势能为Ep=－GMm/r，由GMm/r2=mvr2/r（vr为轨道半径为r时公转速率），其动能Ek＝GMm/2r，则轨道机械能Er=Ep+Ek＝－Ek；玻尔认为：对有限n值，电子束缚在氢原子中的一系列能量皆为负值，因为能量零点在n→∞处，轨道能En为动能Tn和势能Vn=－ke2/rn之和，由ke2/rn2=mevn2/rn，→Tn= ke2/2rn，则 En =－ke2/2rn＝－Tn 。
依符合机械能守恒定义的势能本意，应在保守力的正方向上有释放趋势，比如被举高的物体，其势能总是相对于地面而言；势能的大小由保守力可作的功来量度。m或me由轨道r移动到r∞，势能之差为0－Ep=GMm/r，势能增加，引力做负功，显然GMm/r反映的是r∞相对r轨道的势能增量——其实是以r轨道为势能零点，而负号为逻辑运算——好比一人站在山腰h/3处说，我相对于山底有mgh/3的重力势能，而相对于山顶有－2mgh/3的引力势能，其实是说他到山顶后将具有相对现在位置的势能为2mgh/3。
总而言之，轨道r上的物质m具有的非数学逻辑意义上的势能——本应是r轨道相对于力心至r之间某一指定零势面rn，可转化为动能的正势能，书上所谓的引力势能公式表达的并非机械能守恒的势能量。波尔理论由相对的轨道势能与绝对的动能相加，从而得到绝对的轨道定态能肯定会引起认识上的混乱。
2、引力势能及轨道能本质
在r轨道以速度 vr 圆周运转的航天器m，由ma=GMm/r2，vr2·r守恒于GM（对于氢原子， vn2·rn≡ke2/me）——vr2 与r一一对应，显然 vr2 是场的固有特性——位势的体现，位势∝1/r。其轨道引力加速度ar=vr2/r=GM/r2，与点电荷库伦场电场强度E=kQ/r2相类，a反映重力场强度，显然无穷远处的场强（a\E）为零；变换一下有a·r=GM/r及E·r=kQ/r成立，实质上反映的是r轨道处的位势及电势（电场中的位势φ），相应于r∞处的场强为零：无穷远处是位势为零，而非位能（势能）为零，r轨道位势为ar·r= vr2 =GM/r（由ke2/rn2=mevn2/rn，氢原子核电场中rn处的电势 φn = ke/rn= vn2·me/e）
则m由r等势面脱离地球引力时引力所做负功，可由位势差GM(1/r∞-1/r)乘m得到：（与W=qU相类）
&W= m·(0－GM/r）=m·(0- vr2 ）=－mvr2＝－GMm/r，或
W= m·(0－ar·r) =－mar·r =－m·GM/r2·r =－GMm/r，
物理所谓引力势能Ep=－GMm/r（Vn=－ke2/rn类似），等于由等势面r脱离引力场，引力所作负功W＝－|△Ep|，大小相当于把轨道上动能为0的物质，加速而逃逸引力场所需补偿的能量|Ep|=GMm/r（若由地面R发射逃逸，由能量守恒有：mVⅡ2/2＝GMm/R，由此即可求得第二宇宙速度VⅡ）；引力势能的绝对值实际表示的是r→r∞的位能增量
由于m在r轨道本身具有公转动能为Ek＝|Ep|/2，设刚脱离时动能为0，由r轨道脱离所需补偿脱离能为|Er’|，则由能量守恒有Ek+|Er’|=0+|△Ep|=|Ep|，易得|Er’|=GMm/2r＝mvr2/2 ＝Ek，
若把需补偿理解为负，则补偿的脱离能为－|Er’|＝Ek－|Ep|＝－Ek ，与波尔理论相对照，所谓轨道定态能及能级的实质，反映的是轨道脱离能/电离能的高低——对于轨道物质从r脱离（电子电离）而言，由于轨道物质（电子）本身具有|Ep|/2的公转动能，故只需补偿|Er’|＝|Ep|/2的脱离能/电离能，其大小等于r轨道公转动能；轨道越低，所需补偿的能量越大。（负值仅为数学意义，表示补偿，物理意义上的能量只能为正）
宏观与微观不约而同取无穷远处为零势能面，从而得到合乎客观的结论，只因如此处理，所谓负轨道(机械\定态)能绝对值恰等于轨道动能，若把零势面取在任意轨道，将不能自圆其说——课本其实只能限定无穷远处为引力势能零点。电子在电离过程中，电场力做负功，若电子永远处于电场力之中，电荷的电势能就一定不断积累，真正衰减的其实是电场强度/电势，无穷远处是电势（位势）为零，而非势能（位能），我们不能偷梁换柱，据此限定无穷远处为引力势能的零势能点。
3、轨道跃迁其实不适用机械能守恒
把航天器m由近地初始（基态）正圆轨道R，从第一宇宙速度VⅠ加速至V，由一椭圆（转移）轨道转移到另一较大正圆（同步）轨道r，且它刚能到达r轨道时速率为v（V\v分别为近地点\远地点速率），维持r正圆轨道的公转速率为 vr ，
椭圆轨道可定义为R\r势箱，箱内适用ωr2守恒→VR = vr，及机械能守恒→mV2/2=mv2/2+△Ep，是一个振荡量变过程，势箱几何平均场强 ā=GM/Rr，于是，
△Ep= m ā(r-R)= GMm(r-R)/Rr＝GMm(1/R-1/r)= mV2/2- mv2/2
而不同轨道可视为不同势箱，势箱之间意味产生质变，箱间适用Rv2守恒→ vr2r＝GM，初始轨道位势为aR=GM/R=VⅠ2，r轨道位势为ar·r =GM/r= vr2 ，与W=qU相类
&W =m·GM(1/r-1/R)= m(vr2－VⅠ2) =－ 2(EⅠ－Er)，
故位能增量|△Ep| = 2(EⅠ－Er)——等于俩正圆轨道公转动能差两倍，即若由基态R跃迁至r轨道，R轨道相对于r轨道的动能富余只能补充一半的势能增量，必须外力补偿另一半的势能增量——1倍的轨道动能差——才能越轨，由于在只有保守力作用在物体上的情况下可以定义势能，越轨无所谓势能，故不能简单说航天器m与地球M是一个机械能守恒系统，只有在一个势箱之内（椭圆轨道或无所谓轨道——比如小于第一宇宙速度或大于第二宇宙速度发射，所谓引力势能亦可由位势差或平均场强直观得到），才能说机械能守恒。若Fr→0，即脱离引力场，或者此时引力已不能视为保守力，有如弹性势能突破弹簧的弹性限度了，
所谓轨道机械能的本质就是公转动能，对于电子而言，所谓负的轨道定态能的本质是相应轨道的电离补偿能——大小等于轨道公转动能。谈势能往往意味机械能守恒，负引力势能更是令人费解，或反称逃逸位能为佳——建议将势能专用于势箱轨道内，而将位能专用于能级轨道之间；对于电子而言，负的轨道定态能解读为电离能更合理——并非轨道绝对动能与相对势能之和。
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