Закон сохранения и превращения механической энергии
Наверное, каждый из вас играл с мячиком-попрыгунчиком. Вспомните: мячик взлетает вверх, падает на пол, отскакивает от него, снова взлетает и снова падает... Когда мячик летит вверх, скорость его движения уменьшается, затем мячик на миг останавливается на некоторой высоте, а после этого начинает движение вниз. При движении вверх кинетическая энергия мячика уменьшается. А может ли исчезнуть энергия мячика совсем?
исследуем превращение потенциальной энергии в кинетическую, и наоборот
Одним из фундаментальных законов природы является закон сохранения и превращения энергии:
Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не возникает, она лишь превращается из одного вида в другой, передается от одного тела к другому.
Для примера рассмотрим превращение потенциальной энергии в кинетическую и наоборот во время свободных колебаний шарика на нити (маятника) (рис. 33.1). Будем считать, что трением можно пренебречь.
За нулевой уровень примем самое нижнее положение шарика — положение равновесия (на рис. 33.1 — положение 2).
Отклоним шарик до положения 1. В данном опыте в положении 1 шарик будет находиться на максимальной высоте и, следовательно, будет обладать максимальной потенциальной
энергией
Когда шарик начинает движение, скорость его движения постепенно увеличивается, а значит, возрастает его кинетическая энергия. При этом потенциальная энергия шарика уменьшается, поскольку уменьшается высота h, на которой он находится.
В момент, когда шарик оказывается в положении 2, его потенциальная энергия уменьшается до нуля (h = 0, Ер = mgh = 0). В этот момент скорость движения шарика максимальна, поэтому максимальна и его кинети-
ческая энергия
За счет запаса кинетической энергии шарик продолжает движение, поднимаясь все выше, вследствие чего возрастает его потенциальная энергия. А вот скорость движения шарика уменьшается, а значит, уменьшается его кинетическая энергия.
Когда шарик на миг остановится в положении 3 — на высоте hmax, его кинетическая энергия станет равной нулю, а потенциальная энергия достигнет максимального значения.
Таким образом, во время колебаний маятника один вид механической энергии переходит в другой: потенциальная энергия превращается в кинетическую, и наоборот.
Попробуйте объяснить превращение энергии во время колебаний пружинного маятника (рис. 33.2).
открываем закон сохранения и превращения механической энергии
Вернемся к примеру с мячиком-попрыгун-чиком. Когда мячик летит вверх (рис. 33.3), высота, на которой он находится, увеличивается, а значит, возрастает его потенциаль-
ная энергия. Скорость движения мячика уменьшается, соответственно уменьшается его кинетическая энергия. При отсутствии силы сопротивления воздуха кинетическая энергия мячика уменьшается на столько, на сколько увеличивается его потенциальная энергия. Таким образом, полная механическая энергия системы мячик—Земля не изменяется.
То же самое можно сказать о колеблющихся маятниках: при отсутствии сил трения полная механическая энергия маятников остается неизменной.
Теоретические и экспериментальные исследования позволили сформулировать закон сохранения и превращения механической энергии:
В системе тел, взаимодействующих друг с другом только силами упругости и силами тяжести, полная механическая энергия не изменяется:
Узнаем, что происходит с энергией, если в системе существуют силы трения
Еще раз подчеркнем: закон сохранения и превращения механической энергии* выполняется только в случаях, когда нет потерь механической энергии, в частности при отсутствии трения. Если в системе присутствует трение, то механическая энергия (или ее часть) превращается во внутреннюю энергию**.
В качестве примера рассмотрим преобразование механической энергии во внутреннюю при торможении поезда. Когда машинист нажимает на тормоз, тормозные колодки прижимаются к колесам (рис. 33.4). В результате действия силы трения скольжения скорость вращения
колеса, а следовательно, скорость движения поезда уменьшаются, то есть уменьшается его механическая энергия. При этом, если прикоснуться к тормозным колодкам или колесу сразу после торможения, то можно обжечься — настолько сильно они нагреваются. Нагревание свидетельствует о том, что внутренняя энергия этих тел увеличилась.
Следовательно, кинетическая энергия поезда превратилась во внутреннюю энергию тормозных колодок, колеса и окружающей среды.
Далее для краткости данный закон будем, как правило, называть «закон сохранения механической энергии».
Внутренняя энергия тела — это энергия движения и взаимодействия молекул (атомов, ионов), из которых состоит тело. С увеличением температуры тела его внутренняя энергия увеличивается. Подробнее о внутренней энергии вы узнаете из курса физики 8 класса.
Учимся решать задачи
Задача 1. Тело массой 1 кг начинает падать с высоты 20 м. На какой высоте кинетическая энергия тела будет равна 100 Дж? Сопротивлением воздуха пренебречь.
Анализ физической проблемы. При отсутствии сопротивления воздуха полная механическая энергия системы тело—Земля не изменяется, поэтому для решения задачи можем воспользоваться законом сохранения механической энергии. "Тело начинает движение, поэтому его начальная скорость равна нулю: и0 = 0.
Выполним пояснительный рисунок, на котором укажем положение тела в начале и в конце наблюдения. За нулевой уровень примем поверхность Земли. Задачу будем решать в единицах СИ.
Задача 2. Тело бросают вертикально вверх со скоростью 20 м/с. На какой высоте потенциальная энергия тела будет равна его кинетической энергии? Сопротивлением воздуха пренебречь.
Анализ физической проблемы. Поскольку сопротивлением воздуха следует пренебречь, то полная механическая энергия системы тело—Земля не изменяется, поэтому для решения задачи можем воспользоваться законом сохранения механической энергии. Уровень, с которого бросают тело, примем за нулевой. Задачу будем решать в единицах СИ.
Подводим итоги
Потенциальная энергия тела (системы тел) может превращаться в кинетическую энергию, и наоборот.
Закон сохранения и превращения механической энергии: в системе тел, взаимодействующих друг с другом только силами упругости и силами тяжести, полная механическая энергия не изменяется:
Если в системе есть трение, то полная механическая энергия со временем уменьшается: часть механической энергии превращается во внутреннюю.
Контрольные вопросы
1. Приведите примеры превращения потенциальной энергии тела в кинетическую, и наоборот. 2. Сформулируйте закон сохранения механической энергии. 3. При каких условиях выполняется закон сохранения механической энергии? 4. Приведите примеры, когда полная механическая энергия не сохраняется. Нарушается ли при этом закон сохранения и превращения энергии?
Упражнение № 33
В заданиях сопротивлением воздуха пренебречь.
1. Шайба скатывается с ледяной горки на асфальт и останавливается. Сохраняется ли в этом случае полная механическая энергия?
2. Пружинный пистолет заряжают шариком и стреляют вверх. Какие превращения энергии при этом происходят?
3. Потенциальная энергия тела, находящегося в покое на некоторой высоте, — 400 Дж. Тело отпускают. Какой будет кинетическая энергия тела в момент, когда его потенциальная энергия будет равна 150 Дж?
4. Тело бросают вверх, сообщая ему кинетическую энергию 300 Дж. На некоторой высоте кинетическая энергия тела уменьшится до 120 Дж. Какой будет потенциальная энергия тела на этой высоте?
5. Камень массой 500 г бросили вертикально вверх со скоростью 20 м/с. Определите кинетическую и потенциальную энергии камня на высоте 10 м.
6. Тело, находившееся в состоянии покоя, падает с высоты 20 м. На какой высоте скорость движения тела будет равна 10 м/с?
7. Мяч бросили вертикально вверх со скоростью 8 м/с. Определите, на какой высоте скорость движения мяча уменьшится вдвое.
.8. На рисунке представлен график зависимости скорости движения грузовика массой 4 т от времени. Определите кинетическую энергию грузовика через 15 с после начала наблюдения.
Экспериментальное задание
Подбросьте вверх какое-нибудь небольшое тело (например, спичечный коробок) и поймайте его. Попробуйте определить начальную скорость движения тела и скорость движения тела в момент прикосновения к вашей руке. Высоту, на которую поднялось тело, измерьте или оцените «на глаз». Сопротивлением воздуха пренебречь.
Физика и техника в Украине
Один из выдающихся физиков современности — лев Цавидо-вич ландау (1908-1968) — проявил свои незаурядные способности еще в средней школе. После окончания университета он стажировался у одного из создателей квантовой физики Нильса Бора. Уже в 24 года Л. Д. Ландау возглавил теоретический отдел Украинского физико-технического института (УФТИ) в Харькове и кафедру теоретической физики в Харьковском политехническом институте, а впоследствии — кафедру теоретической физики Харьковского университета.
В УФТИ Л. Д. Ландау создал известную школу теоретической физики. Его первыми учениками были А. С. Компанеец, Е. М. Лифшиц, А. И. Ахиезер, И. Я. Померанчук. В 1937 г. по приглашению академика П. Л. Капицы Ландау перешел на работу в Институт физических проблем.
Как и большинство выдающихся физиков-теоретиков, Ландау отличался чрезвычайной широтой научных интересов. Ядерная физика, физика плазмы, теория сверхтекучести жидкого гелия, теория сверхпроводимости — во все эти разделы физики Ландау внес значительный вклад. В 1962 г. за работы по физике низких температур Л. Д. Ландау получил Нобелевскую премию.
Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий
Автор: admin от 24-01-2017, 08:02, Переглядів: 3944