Версия 13:17, 13 июля 2010

Гіпермаркет Знань>>Фізика і астрономія>>Фізика 8 клас>> Фізика: Кінетична і потенціальна енергії. Перетворення одного виду механічної енергії в інший. Закон збереження механічної енергії

Потенціальна енергія
У повсякденному житті  можна знайти багато різних тіл, при переміщенні яких може виконуватися робота. Так, випущена з рук кулька почне падати під дією сили тяжіння, яка виконуватиме роботу з переміщення кульки.
Стиснута пружина може підняти на певну висоту тягарець. Тут сила пружності виконає роботу з переміщення тягарця.
 
Що таке енергія
Енергія — це фізична величина, що пока-зує, яка робота може бути виконана при переміщенні тіла.
Можна навести ще багато різних прикладів із природи, з повсякденного життя, з техніки, в яких ідеться про тіла, які знаходяться в такому стані, що за певних умов може виконатися робота при їх переміщенні. Про такі тіла кажуть, що
вони мають енергію. За різних умов результат виконання роботи може бути різним. Тому й енергія може мати різні значення та бути розрахована.

Одиниці енергії
Оскільки йдеться про можливість виконання роботи, то енергію доцільно вимірювати тими самими одиницями, що й роботу. Тому одиницею енергії є 1 Дж.
 
Види механічної енергії
У фізиці розрізняють два види механічної енергії: потенціальну і кінетичну. Якщо тіло нерухоме, але на нього діє певна сила, то кажуть, що воно має потенціальну енергію.
Потенціальну енергію має тіло, підняте над поверхнею Землі, стиснута пружина, стиснутий газ, річкова вода у водоймищі тощо.

Як розраховують потенціальну енергію
Розраховують потенціальну енергію з урахуванням природи сил, які діють на ці тіла. Найпростіше розрахувати потенціальну енергію тіла, піднятого над поверхнею Землі, оскільки сила, яка діє на нього, залишається практично сталою протягом усього часу його руху під дією цієї сили.
Нехай тіло масою т знаходиться на висоті h над землею. Якщо воно впаде на поверхню, то буде виконана робота
А = Fs = mgh.
Отже, про таке тіло можна сказати, що воно має потенціальну енергію
Е_п = mgh.
 
Потенціальна енергія тіла, піднятого над поверхнею Землі, пропорційна масі тіла і його висоті над поверхнею Землі.
При розрахунках потенціальної енергії важливо пам'ятати, що висота h є шляхом, яке тіло пройде у вертикальному напрямі. Отже, завжди треба вказувати, відносно якої поверхні визначається потенціальна енергія. Наприклад, тіло масою 2 кг, підняте над столом на висоту 1,5 м, матиме потенціальну енергію приблизно ЗО Дж, а потенціальна енергія цього тіла, розрахована для висоти 3 м над підлогою, буде 60 Дж.
1.    Які тіла мають потенціальну енергію?
2.    Як обчислити потенціальну енергію тіла, піднятого над поверхнею Землі?
3.    Коли потенціальна енергія одного й того самого тіла може мати різне значення?
4.    Чи змінюється потенціальна енергія при падінні тіла?
 
Вправа  26
1.    Яку енергію має цеглина, що лежить на стіні новобудови?
2.    Палю забивають пароповітряним молотом, маса ударної частини якого становить 1800 кг. Під час удару об верхній кінець палі виконується робота 27 кДж. На яку максимальну висоту піднімається перед цим ударна частина молота?
3.    За допомогою копра металевий тягар масою 800 кг підняли на 6 м, а потім дали йому вільно впасти. Внаслідок удару металевого тягаря об верхній кінець палі вона заглибилася в ґрунт на 30 см. Визначити силу опору ґрунту.
4.    Яким молотком — легким чи важким — можна забити цвях за меншу кількість ударів? Чому?
 
Кінетична енергія
Спостереження за явищами природи показують, що робота може виконуватися при русі тіл. Так, тепловоз, рухаючись колією, стикається з вагоном і зміщує його на деяку відстань. Виконується робота і в тому випадку, коли кинутий камінь пробиває кригу. Вистрілена з рушниці куля пробиває дошку тощо. Якщо потенціальну енергію мають тіла, на які діє сила, то в перелічених вище прикладах робота виконується тому, що вони здійснювали переміщення, рухалися.

Яку енергію мають рухомі тіла
Кінетична енергія є фізичною величиною, і її значення можна розраховувати. Для цього треба знати, від яких фізичних величин вона залежить.
 
Енергію рухомого тіла називають кінетичною енергією.
 
Як розраховують кінетичну енергію
Поставимо жолоб під деяким кутом до поверхні стола. На деякій відстані від його нижнього кінця покладемо брусок. На середній частині жолоба розмістимо маленьку стальну кульку і відпустимо її. Скотившись із жолоба, кулька вдариться об брусок і перемістить його на деяку відстань. Відмітимо відстань, на яку зміститься брусок.
Розмістимо кульку у верхній частині жолоба і відпустимо її. У цьому випадку, скотившись жолобом до основи, кулька набуває більшої швидкості, ніж раніше. Ударившись об брусок, вона перемістить його на більшу відстань, ніж у попередньому досліді, виконавши відповідно більшу роботу.
Отже, кінетична енергія тіла залежить від його швидкості. Ця залежність нелінійна, що помітно на графіку залежності кінетичної енергії тіла від його швидкості, який має вигляд кривої лінії.

Кінетична енергія тіла

Як відомо, швидкість тіла є відносною величиною, що залежить від вибору тіла відліку. Тому й кінетична енергія є величиною відносною. Якщо артилерійський снаряд, поціливши  в  стіну,   наносить  їй значних руйнувань, то снаряд, посланий услід надзвуковому літаку, не завдасть йому суттєвих ушкоджень, оскільки швидкість снаряда відносно літака буде невеликою.
Наслідки зіткнення  автомобілів цу випадку, коли вони рухаються назустріч один одному, будуть завжди більш відчутними, ніж тоді, коли один автомобіль наздоганяє другий. Кінетична енергія залежить і від маси тіла. Якщо повторимо попередні досліди з кулькою більшої маси, то побачимо, що переміщення бруска в цьому випадку буде більшим. Ця залежність лінійна, тому можна сказати, що кінетична енергія тіла пропорційна його масі.

Як розрахувати кінетичну енергію
Кінетичну енергію різних тіл використовують для виконання механічної роботи. Так, досвідчені водії автомобілів час від часу від'єднують двигун від коліс, вимикаючи зчеплення, і цим економлять паливо. Робота з подолання сил тертя виконується за рахунок кінетичної енергії автомобіля, який рухається з деякою швидкістю. Конструктори працюють над розробкою моделі міського автобуса, який рушає з місця за рахунок енергії розкрученого під час зупинки важкого маховика. Це дає можливість суттєво зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу та економити паливо.
У південних областях України, зокрема на Кримському півострові, використовують вітрові електростанції, які працюють за рахунок кінетичної енергії рухомого повітря — вітру.

1.    Чому рухоме тіло може виконати роботу?
2.    Яку енергію називають кінетичною?
3.    Як залежить кінетична енергія від швидкості тіла?
4.    Як залежить кінетична енергія від маси тіла?

Вправа  27
1.    Два автомобілі з вантажами однакової маси рухаються горизонтальним шляхом з однаковими швидкостями відносно поверхні Землі. Що можна сказати про їхні енергії? Чи однакові енергії вони матимуть, якщо один із них збільшить швидкість?
2.    Чому спортсмен спочатку розбігається, а потім стрибає в довжину?
3.    Чому на дорогах легковим автомобілям дозволяється їхати з більшою швидкістю, ніж вантажним?
4.    Два електропоїзди рухаються з однаковими відносно Землі швидкостями, але перший має шість, а другий — дев'ять таких самих вагонів. Який із них має більшу кінетичну енергію?
5.    Яку кінетичну енергію має куля масою 5 г, що вилетіла з рушниці зі швидкістю 500 м/с?
6.    З якою швидкістю рухається автомобіль, якщо відомо,
що його кінетична енергія дорівнює 50 кДж, а маса — 2,5 т?
7.    Яка маса одного вагона, якщо кінетична енергія поїзда з 25 вагонів за швидкості 79,2 км/год становить 605 МДж?
 

Закон збереження і перетворення енергії
Для обох видів механічної енергії є спільна властивість: при виконанні роботи енергія тіла завжди змінюється.

Як змінюється повна механічна енергія тіла
Піднятий над поверхнею Землі м'яч має певну потенціальну процесі падіння швидкість м'яча збільшується, тобто збільшується його кінетична енергія. Внаслідок виконання роботи силою тяжіння кінетична енергія м'яча збільшилася. Проте зменшилася потенціальна енергія. Отже, можна сказати, що кінетична і потенціальна енергії пов'язані одна з одною. Зі збільшенням кінетичної енергії зменшується потенціальна енергія, і навпаки. Кинутий вгору м'яч має спочатку велику швидкість і відповідно кінетичну енергію.  При підніманні м'яча вгору збільшується його потенціальна енергія, але швидкість і кінетична енергія м'яча поступово зменшуються.
Отже, тіло одночасно може мати як кінетичну, так і потенціальну енергії.

Який зв'язок між кінетичною і потен-ціальною енергією тіла
Мірою зміни кінетичної і потенціальної енергій є робота. При зміні потенціальної енергії тіла, що рухається вниз, виконується робота силою тяжіння. За рахунок цієї роботи відбувається збільшення кінетичної енергії. Якщо на дане тіло не діють сили тертя, то його повна механічна енергія залишається сталою. Це один із важливих законів природи, який потрібно враховувати при розрахунках параметрів руху тіл.
Зобразимо графічно залежність потенціальної і кінетичної енергій. Якщо потенціальна енергія пропорційна висоті, то графіком буде пряма лінія. Кінетична енергія буде зменшуватися зі збільшенням висоти, тобто буде пропорційною висоті. Ця залежність виразиться також прямою лінією.

Сума кінетичної і потенціальної енергій
Накладемо обидва графіки один на одний і визначимо суму енергій для довільної висоти (мал. 131). Неважко ПОМІТИТИ, ЩО сума енергій для довільної висоти тіла над поверхнею Землі буде однаковою. Це свідчить про те, що повна механічна енергія зберігається за умови відсутності сил тертя. У цьому суть закону збереження і перетворення механічної енергії. Те, що відсутні перетворення механічної енергії в інші види енергії, постулюють, вводячи поняття замкнутої системи. Усі перетворення механічної енергії відбуваються в межах цієї системи. Замкнуту систему в певному наближенні утворюють маятник і Земля. За відсутності сил тертя в цій системі відбуваються неперервні перетворення потенціальної і кінетичної енергій.

Як формулюється закон збереження і перетворення механічної енергії
З цього формулювання закону можна зробити деякі висновки. Зокрема, висновок про те, що механічна енергія не виникає і не і зникає безслідно. Вона лише перетворюється з одного виду в інший. Мірою перетворення енергії з одного виду в інший є робота.

Сума кінетичної і потенціальної енергій ізольованого тіла в замкнутій системі, у якій відсутні сили тертя, залишається сталою.
 
Енергія притаманна всім явищам у природі
Поняття  енергії є універсальним. Воно стосується усіх природних процесів. Так, якщо брусок при ковзанні вниз похилою площиною зменшує свою швидкість аж до повної зупинки, то дошка похилої площини і сам брусок нагріваються. Розрахунки енергії, яка перетворилася в теплову, покажуть, що зміна механічної енергії бруска дорівнює тепловій енергії. Тому закон збереження і перетворення механічної енергії є окремим проявом більш загального закону природи - закону збереження і перетворення енергії.

Енергія ні з чого не виникає і не зникає безслідно. Вона лише перетворюється в рівній мірі з одного виду в інший.

Як формулюється закон збереження і перетворення енергії
Першовідкривачем цього закону, властивого для всіх процесів у природі, є англійський природодослідник Роберт Майєр.   
 
 Юліус Роберт Майєр (1814-1878) — англійський природодослідник, першим відкрив фундаментальний закон збереження енергії при дослідженні життєдіяльності живих організмів у різних кліматичних умовах.
 
Використання закону збереження і перетворення енергії
Закон збереження і перетворення енергії знайшов застосування в різних галузях техніки і виробництва. Так, біля багатьох гідроелектростанцій побудовані так звані гідроакумулюючі станції. У період, коли споживання електроенергії мале, вода з основної водойми не зливається через греблю, а продовжує обертати лопаті турбін, з'єднаних з генераторами. Вироблений електричний струм приводить в дію електричні двигуни насосів, які закачують воду у водойми, розміщені вище від рівня основної. У період збільшеного споживання струму вода з цієї водойми обертає турбіни і виробляє додаткову енергію. Таким чином кінетична енергія падаючої води перетворюється в потенціальну енергію води в акумулюючій водоймі, яка потім знову перетворюється в кінетичну енергію падаючої води.

Відкриття закону збереження і перетворення енергії спричинило закриття цілого напрямку в науці, коли вчені намагалися створити пристрій, який виконував би роботу без споживання енергії ззовні. Такий двигун дістав назву вічного двигуна (perpetuum mobile). Закон збереження і перетворення енергії виявився настільки незаперечним, що Паризька академія наук, один із найавторитетніших наукових закладів світу, ще в 1755 р. постановила залишати без розгляду всі заяви і пропозиції, що стосуються вічного двигуна.
 
1.    Які перетворення механічної енергії відбуваються при падінні тіла в безповітряному просторі?
2.    Як відбувається перетворення потенціальної енергії в кінетичну?
3.    Як підтвердити закон збереження механічної енергії тіла, що падає?
 4.    Яка фізична величина є мірою перетворення енергії?
5.    Як формулюється закон збереження і перетворення механічної енергії?
6.    Чому не можна побудувати вічний двигун?
 

Вправа  28
1.    М'яч, підкинутий угору, через деякий час упав на землю.
Які перетворення механічної енергії при цьому відбулися? Чи відбувалися при цьому інші перетворення енергії?
2.    Якими перетвореннями енергії супроводжується хід механічного годинника?
3.    Під час скочування з гори санок їх швидкість збільшується. Чому?
4.    Тіло масою 2 кг підняте над землею на висоту 10 м. Визначити потенціальну енергію цього тіла. Яку потенціальну енергію воно матиме на висоті 5 м при вільному падінні? Де поділася решта енергії тіла?
5.    Молот копра для забивання паль має масу 600 кг. Він піднімається на висоту 12 м. Визначити кінетичну енергію молота в момент удару обпалю після його вільного падіння без тертя. Яка робота виконується за один удар молота?

Фізика. 8 клас. Коршак Є.В., Ляшенко О.І., Савченко В.Ф.

Вислано читачами з інтернет-сайту

_{Матеріали з фізики, завдання та відповіді по класам, плани конспектів уроків з фізики 8 класу}

Зміст уроку
 конспект уроку і опорний каркас                      
 презентація уроку 
 акселеративні методи та інтерактивні технології
 закриті вправи (тільки для використання вчителями)
 оцінювання 

Практика
 задачі та вправи,самоперевірка 
 практикуми, лабораторні, кейси
 рівень складності задач: звичайний, високий, олімпійський
 домашнє завдання 

Ілюстрації
 ілюстрації: відеокліпи, аудіо, фотографії, графіки, таблиці, комікси, мультимедіа
 реферати
 фішки для допитливих
 шпаргалки
 гумор, притчі, приколи, приказки, кросворди, цитати

Доповнення
 зовнішнє незалежне тестування (ЗНТ)
 підручники основні і допоміжні 
 тематичні свята, девізи 
 статті 
 національні особливості
 словник термінів                          
 інше 

Тільки для вчителів
 ідеальні уроки 
 календарний план на рік 
 методичні рекомендації 
 програми
 обговорення

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.

Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь - Образовательный форум.