Народна Освіта » Фізика » Механическая энергия. Потенциальная и кинетическая энергии тела

НАРОДНА ОСВІТА

Механическая энергия. Потенциальная и кинетическая энергии тела

Слово «энергия» мы слышим в телевизионных репортажах, видим на страницах газет, книг и т. д. Им пользуются для характеристики людей (энергичный человек), природных явлений (энергия землетрясения или урагана), машин и механизмов (потребляемая ими электроэнергия). А что такое энергия с точки зрения физики?

 

 

Узнаем, что такое энергия и как она связана с механической работой

Энергия (в переводе с греческого это слово означает «деятельность») — одна из важнейших физических величин.

Из курса природоведения вам известны такие понятия, как «электрическая энергия», «атомная энергия», «механическая энергия», — все это разные виды энергии. В механике мы имеем дело с механической энергией и будем пользоваться таким определением:

I Энергия — это физическая величина, которая характеризует способность тела (системы тел) выполнять работу.

Энергию обозначают символом E(или Ж). Единица энергии в СИ, как и работы, — джоуль:

Продемонстрируем способность тела выполнять механическую работу. Расположим маленький шарик на краю стола, а на полу поставим сосуд с водой. Если столкнуть шарик, он полетит вниз, упадет в воду и расплещет жидкость (рис. 32.1). Появление брызг означает, что шарик выполнил некоторую работу. Если же к шарику не прикасаться, он останется лежать на столе. Таким образом, энергия шарика может быть реализована выполнением работы во время падения или сохранится «до лучших времен».

На рис. 32.2 крепкая веревка удерживает деформированную балку катапульты. Балка работу не выполняет, но может выполнить, если веревку отпустить: распрямляясь, балка придаст скорость метательному снаряду. При этом деформация балки уменьшится.

Многим из вас, наверное, приходилось видеть, как играют в боулинг. Шар запускают по горизонтальной гладкой дорожке. От момента броска до попадания в кегли шар движется практически по инерции и работу не выполняет. Но затем, когда шар разбрасывает кегли, он выполняет работу(рис. 32.3) и уменьшает скорость своего движения.

 

Приведите еще несколько примеров тел, способных выполнить работу, то есть обладающих определенной механической энергией. Чем большую работу может выполнить тело, тем большей энергией это тело обладает. При выполнении механической работы энергия тела изменяется. Следовательно, механическая работа является мерой изменения энергии тела.

Так, когда грузчик поднимает кирпичи, энергия кирпичей увеличивается на значение выполненной грузчиком работы (рис. 32.4). Энергия шарика, падающего со стола, уменьшается на значение выполненной этим шариком работы. То же можно сказать о работе, которую выполнила балка катапульты, о работе шара для боулинга и т. д.

рассчитываем потенциальную энергию, которую «запасает» поднятое тело

Тело, поднятое над поверхностью Земли, обладает энергией, что обусловлено притяжением тела к Земле. Такую энергию называют потенциальной.

Потенциальная энергия Ер — это энергия, обусловленная взаимодействием тел или частей тела.

Потенциальная энергия поднятого на некоторую высоту тела равна работе, которую выполнит сила тяжести за время падения тела с данной высоты:

 

Потенциальная энергия поднятого на некоторую высоту тела равна произведению массы т тела, ускорения свободного падения g и высоты h, на которой расположено тело:

 

 

Потенциальная энергия тела зависит от высоты, на которой находится тело, поэтому выбор нулевого уровня, — уровня, от которого будет измеряться высота, — влияет на значение потенциальной энергии (рис. 32.6).

 

 

доказываем, что упруго деформированный тела обладают потенциальной энергией

В упруго деформированном теле части тела взаимодействуют силами упругости. Если тело «освободить», то силы упругости вернут его в недеформированное состояние, выполнив механическую работу. Следовательно, упруго деформированное тело тоже обладает потенциальной энергией (рис. 32.7).

Потенциальная энергия упруго деформированной(растянутой или сжатой) пружины определяется по формуле:

где к — жесткость; x — удлинение пружины.

Свойство деформированной пружины «запасать» потенциальную энергию, а потом за ее счет выполнять механическую работу используют во многих механизмах: механических часах, дверных замках, клапанах автомобильных двигателей, амортизаторах автомобилей и т. п.

Знакомимся с кинетической энергией тела

Вспомним пример с шаром для боулинга: он катится, разбрасывает кегли и уменьшает скорость своего движения. Шар выполнил работу, поэтому его механическая энергия уменьшилась. Вместе с тем потенциальная энергия шара не изменилась, ведь шар все время находился на одной и той же высоте, — изменилась только скорость его движения. Следовательно, энергия, позволившая шару выполнить работу, была обусловлена движением шара. В физике эту энергию называют кинетической.

Кинетическая энергия зависит от массы тела и скорости его движения(см. рис. 32.8, 32.9). Так, из двух шаров, движущихся с одинаковой скоростью, шар большей массы отодвинет один и тот же брусок на большее расстояние, то есть выполнит большую работу. Это значит, что при одинаковой скорости движения шар большей массы обладает большей кинетической энергией (рис. 32.8).

 

Если масса шаров одинакова, то большую работу выполнит тот шар, который движется с большей скоростью, то есть именно этот шар обладает большей кинетической энергией (рис. 32.9).

В физике определена зависимость кинетической энергии от массы и скорости движения тела.

кинетическая энергия — это энергия, которая обусловлена движением тела и равна половине произведения массы тела на квадрат скорости его движения:

где Ек — кинетическая энергия тела; m — масса тела; и — скорость движения тела.

Кинетическая энергия тела для разных наблюдателей может быть разной, поскольку относительно них может быть разной скорость движения данного тела (рис. 32.10, 32.11).

Приводим определение полной механической энергии тела

Достаточно часто тело имеет и потенциальную энергию, и кинетическую. Например, самолет, который летит над землей на некоторой высоте, имеет и потенциальную энергию (поскольку взаимодействует с землей), и кинетическую энергию (поскольку движется).

сумму кинетической и потенциальной энергий тела называют полной механической энергией тела:

Подводим итоги

Если тело (или система тел) может выполнить механическую работу, то говорят, что оно (она) имеет энергию. Энергию обозначают символом Е или W. Единица энергии в СИ — джоуль (Дж).

Энергию, обусловленную взаимодействием тел или частей одного тела, называют потенциальной энергией. Потенциальной энергией обладают упруго деформированные тела и тела, поднятые на некоторую высоту.

Потенциальную энергию поднятого на некоторую высоту тела можно вычислить по формуле: Ер = mgh, где т — масса тела; g — ускорение свободного падения; h — высота, на которой находится тело относительно нулевого уровня.

Энергию, обусловленную движением тела, называют кинетической энергией Ек. Кинетическую энергию тела вычисляют по формуле

 

Сумму кинетической и потенциальной энергий тела называют полной механической энергией тела:

 

 

Контрольные вопросы

1. Что означает выражение: «Тело (или система тел) обладает энергией»?

2. Назовите единицу энергии в СИ. 3. Приведите примеры, подтверждающие, что при выполнении работы энергия тела изменяется. 4. Дайте определение потенциальной энергии. 5. По какой формуле определяют потенциальную энергию поднятого на высоту Ь тела? 6. Зависит ли значение потенциальной энергии поднятого на высоту тела от выбора начального уровня отсчета высоты? 7. Дайте определение кинетической энергии тела. 8. По какой формуле можно вычислить кинетическую энергию тела? 9. Почему кинетическая энергия одного и того же тела может быть разной? 10. Дайте определение полной механической энергии тела.

Упражнение № 32

1. Приведите примеры тел, обладающих потенциальной энергией, и примеры тел, обладающих кинетической энергией.

2. Опишите, как изменяется потенциальная энергия самолета во время взлета и посадки. Как изменяется его кинетическая энергия?

3. Вычислите потенциальную энергию портфеля, лежащего на парте, относительно пола. Масса портфеля — 3 кг, высота парты — 80 см.

4. Кирпич массой 5 кг обладает потенциальной энергией 20 Дж. На какой высоте расположен кирпич, если за нулевой уровень принята поверхность пола?

5. Тело движется со скоростью 7,2 км/ч. Определите массу этого тела, если его кинетическая энергия равна 5 Дж.

6. Во время баскетбольного матча мяч массой 400 г брошен в направлении кольца. Определите полную механическую энергию мяча на высоте 3 м, если на этой высоте он движется со скоростью 2 м/с. За нулевой уровень примите уровень пола спортивного зала.

 

7. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и найдите описание устройства, действие которого основано на изменении потенциальной энергии. Подготовьте краткое сообщение.

.8. По графику пути (см. рисунок) определите скорость движения тела. Ответ представьте в метрах в секунду.

9. Найдите соответствие между каждой силой и формулой, по которой ее вычисляют. Назовите физические величины в каждой формуле, и единицы, в которых они измеряются.

А Архимедова сила В Сила трения

Б Сила упругости Г Сила тяжести

 

Экспериментальное задание

 

Придумайте и проведите несколько опытов, подтверждающих, что упруго деформированное тело обладает потенциальной энергией. Сделайте фотоотчет или опишите опыты на отдельном листе, дополнив описание пояснительными рисунками.

 

Это материал учебника Физика 7 класс Барьяхтар, Довгий

 

Категорія: Фізика

Автор: admin от 24-01-2017, 08:01, посмотрело: 1974