Физика и как устроена энергия

ЭНЕРГИЯ: ОСНОВЫ И ПРИМЕНЕНИЕ

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Кинетическая энергия

Потенциальная энергия

Механическая энергия

Контрольные вопросы

ВВЕДЕНИЕ

Энергия — фундаментальная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения из одних форм в другие.

В механике энергия служит для количественной характеристики способности тела или системы тел совершать работу. Введение этой величины обусловлено наличием закона сохранения — одного из наиболее общих и фундаментальных законов природы, согласно которому энергия не возникает из ничего и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую или переходит от одного тела к другому.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

Кинетическая энергия — это энергия движения. Она присуща любому телу, которое перемещается или вращается в пространстве.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ - ВИДЕОУРОК

ФОРМУЛА КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Кинетическая энергия тела, движущегося без вращения, вычисляется по формуле:

• Eк – кинетическая энергия (Джоули)

• v – модуль скорости тела (м/с)

• m – масса тела (кг)

Эта формула является краеугольным камнем в понимании механики.

ТЕОРЕМА ОБ ИЗМЕНЕНИИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Почему именно эта формула? Потому что она позволяет применить теорему об изменении кинетической энергии:

• ΔEк – изменение кинетической энергии (Джоули)

• Aравн – работа равнодействующей силы (Джоули)

Изменение кинетической энергии тела равно работе равнодействующей всех сил, действующих на тело.

ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ТЕОРЕМЫ: ПРАКТИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Хотя теорема имеет строгое доказательство, мы будем рассматривать её как подтверждённую опытом. Рассмотрим задачу, которая может служить таким опытом.

ЗАДАЧА:

Брусок со скоростью v₀ скользит по горизонтальной поверхности. Какой путь он пройдёт до остановки?

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ: ПРИМЕНЕНИЕ ТЕОРЕМЫ

В вертикальном направлении ускорение отсутствует, поэтому сила тяжести и сила нормальной реакции опоры уравновешены. Равнодействующей силой будет сила трения.

Тормозной путь тела зависит от его начальной скорости и коэффициента трения. Это можно проверить экспериментально.

ФИЗИЧЕСКИЙ СМЫСЛ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Согласно третьему закону Ньютона, работа силы над телом и работа самого тела равны по модулю и противоположны по знаку.

Кинетическая энергия равна работе, которую движущееся тело способно совершить за счёт уменьшения своей скорости до нуля.

ПОЛЕЗНАЯ РАБОТА КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Эта работа может быть полезной, например, при накоплении энергии маховиками или поднимающимися грузами.

Затем эта энергия может быть использована для приведения в действие машин и механизмов.

ВРЕДНАЯ РАБОТА КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Однако кинетическая энергия может совершать и вредную работу. Например, при торможении автомобиля или поезда тормозными колодками, которые при этом изнашиваются.

Неконтролируемая кинетическая энергия может привести к разрушениям и авариям.

ЗАВИСИМОСТЬ ОТ СКОРОСТИ

СКОРОСТЬ В 2 РАЗА

СКОРОСТЬ В 3 РАЗА

Энергия в 4 раза

Энергия в 9 раз

Кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости. Увеличение скорости автомобиля в 2 раза приводит к увеличению его энергии в 4 раза.

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Тело обладает потенциальной энергией благодаря взаимодействию с другими телами или частями самого себя.

ФОРМУЛЫ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

При действии силы тяжести:

При действии силы упругости:

Значение потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня.

ТЕОРЕМА ОБ ИЗМЕНЕНИИ ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ ЭНЕРГИИ

Изменение потенциальной энергии тела равно взятой с противоположным знаком работе потенциальной силы, действующей на тело.

Потенциальные силы зависят от положения тел и не зависят от траектории.

ПРИМЕРЫ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ СИЛ

2

1

СИЛА ТЯЖЕСТИ

АРХИМЕДОВА СИЛА

Работа силы тяжести зависит только от изменения положения тела, не от траектории. Всегда потенциальна.

Работа не зависит от траектории. Всегда потенциальна (в однородной среде).

3

СИЛА УПРУГОСТИ

Если подчиняется закону Гука, то потенциальна.

НЕПОТЕНЦИАЛЬНЫЕ СИЛЫ

1

СИЛА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ

Работа зависит от формы и длины траектории. Никогда не потенциальна.

2

СИЛА ТРЕНИЯ ПОКОЯ

Работа обращается в ноль при возврате в исходную точку. Всегда потенциальна.

ЗАДАЧА: ВЫСТРЕЛ ИЗ ПУШКИ

Из вертикальной пружинной пушки выстреливают шар, он поднимается на высоту 1 м. Какую скорость шар имел при вылете?

Решение: Используем теоремы об изменении кинетической и потенциальной энергии.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ: ШАГ 1

Теорема об изменении кинетической энергии (в верхней точке скорость шара равна нулю):

Теорема об изменении потенциальной энергии (нулевой уровень – точка вылета):

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ: ШАГ 2

Упростив равенства и решив систему уравнений, получаем:

Ответ: Начальная скорость шара при вылете из пушки была ≈ 4,5 м/с.

МЕХАНИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

Механическая энергия – это сумма кинетической и потенциальной энергий тела.

КИНЕТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГИЯ

Связана с движением (поступательным и вращательным).

ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Связана с взаимодействием (гравитационным, упругим).

ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Если система замкнута (нет теплопередачи и механической работы над другими телами), её внутренняя энергия сохраняется.

Механическая энергия замкнутой системы сохраняется, если нет процессов, приводящих к выделению теплоты (например, трения скольжения).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Тело всегда обладает кинетической энергией, если оно ...

Кинетическая энергия – скалярная величина, так как вычисляется через ...

Сформулируйте теорему об изменении кинетической энергии.

Модули силы нормальной реакции и силы тяжести мы считаем равными, так как ...

По формуле E = mgDh вычисляется энергия, возникающая ...

Сформулируйте теорему об изменении потенциальной энергии.

К способам изменения внутренней энергии тела мы относим ...

В каком случае внутренняя энергия системы не меняется?

Формула первого закона термодинамики является математической формулировкой ...

Превращение механической энергии в тепловую возможно ...

ЭНЕРГИЯ: ОСНОВЫ И ПРИМЕНЕНИЕ