弹性势能的计算公式是:
\[ E_p = \frac{1}{2} k x^2 \]
其中:
\( E_p \) 是弹性势能,
\( k \) 是弹性系数(劲度系数),
\( x \) 是形变量(压缩量或拉伸量)。
这个公式表明,弹性势能是物体由于发生弹性形变而具有的能量,其大小与形变量的平方成正比,比例系数为弹性系数。需要注意的是,这个公式中的形变量 \( x \) 必须在弹簧的弹性限度内,即在弹性形变范围内。
弹性势能的物理意义是:当物体发生弹性形变时,各部分之间存在弹力的相互作用,这种相互作用具有势能,即弹性势能。当物体从形变状态恢复到原状时,弹性势能会转化为其他形式的能量,例如动能。
推导过程如下:
1. 弹簧的恢复力 \( F \) 与形变量 \( x \) 成正比,即 \( F = -k x \)。
2. 弹力做的功 \( W \) 等于力乘以位移,即 \( W = F x \)。
3. 通过积分思想,将力 \( F \) 随位移 \( x \) 的变化关系积分,得到弹性势能 \( E_p \)。
4. 由于弹簧在原始状态下 \( E_p = 0 \),积分常数 \( C \) 为 \( k x / 2 \)。
5. 最终得到弹性势能公式 \( E_p = \frac{1}{2} k x^2 \)。
这个公式适用于弹簧等弹性物体的弹性势能计算,并且 \( x \) 必须在弹簧的弹性限度内。