Примеры превращение механической энергии во внутреннюю: Ответы на вопросы к §75

Содержание

Превращения энергии

У всех видов энергии есть общее свойство: энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает; она лишь переходит из одного вида в другой или от одного тела к другому. Это утверждение называется законом сохранения энергии. Пока мы изучим его качественно, поскольку количественный аспект рассматривается в старших классах.

Колебания нитяного маятника. На рисунке слева вы видите груз, качающийся на нити. Сначала его оттянули вправо, и он приподнялся на высоту h над своим нижним положением. В этот момент груз имел наибольшую потенциальную энергию под действием силы тяжести.

Когда груз отпустили, он начал двигаться влево, увеличивая скорость. Следовательно, кинетическая энергия груза возрастает. Одновременно груз опускается, и в среднем положении его потенциальная энергия становится наименьшей. Однако в этот момент скорость груза является наибольшей. Поэтому за счёт запаса кинетической энергии, продолжая двигаться влево, груз поднимается всё выше. Это приводит к возрастанию его потенциальной энергии. Одновременно скорость груза уменьшается, что вызывает уменьшение кинетической энергии.

В этом примере энергия одного и того же тела переходит из одного вида в другой: из кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Рассмотрим теперь примеры, когда энергия переходит не только из одного вида в другой, но и от одного тела к другому.

Колебания пружинного маятника. Взгляните на рисунок. Сначала груз на пружине оттянули вниз. Пружина растянулась, следовательно, сила упругости возросла. Увеличение этой силы означает увеличение потенциальной энергии пружины.

После отпускания груза пружина сжимается. По мере её сжатия сила упругости пружины уменьшается, значит, уменьшается потенциальная энергия пружины. Однако одновременно возрастает кинетическая энергия груза, так как при разгоне вверх увеличивается его скорость. Одновременно возрастает потенциальная энергия груза под действием силы тяжести, так как груз поднимается выше. Эти превращения энергии из одного вида в другой и переходы от тела к телу происходят периодически.

В только что рассмотренном примере энергия переходила из одного вида в другие: из потенциальной под действием силы упругости в кинетическую, а также в потенциальную под действием силы тяжести, и наоборот. Кроме того, энергия переходила от одного тела к другому: от пружины к грузу, и наоборот.

Торможение тела силой трения. На правом рисунке сверху изображено колесо едущего поезда; снизу – то же колесо, но при торможении поезда: тормозные колодки прижались к колесу. Возникшая сила трения замедляет вращение колёс, а значит, и скорость поезда. Это приводит к уменьшению его кинетической энергии. Колодки и колесо в нижней части рисунка не случайно выделены красным цветом: они настолько сильно нагреваются из-за трения, что при касании рукой можно получить ожог.

В этом примере мы наблюдали превращение механической энергии во внутреннюю энергию: кинетическая энергия всего поезда превращалась во внутреннюю энергию его тормозных колодок, колёс и воздуха, который тоже нагревался (соприкасаясь с горячими колёсами и тормозными колодками).

Итак, все рассмотренные в этом параграфе примеры являются качественными подтверждениями всеобщего закона сохранения энергии, который иногда называют законом сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах. Физика. 8 класс. — Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Комментарии преподавателя

Подбрасывая вверх камень или мяч, мы сообщаем им энергию движения — кинетическую энергию.  


 

Превращение кинетической энергии мяча в потенциальную 

Поднявшись до некоторой высоты, предмет останавливается, а затем начинает падать. В момент остановки (в верхней точке) вся кинетическая энергия полностью превращается в потенциальную. При движении тела вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия превращается в кинетическую. 

При этих превращениях полная механическая энергия, т. е. сумма потенциальной и кинетической энергии, остаётся неизменной. Если принять, что потенциальная энергия у поверхности Земли равна нулю, то сумма кинетической и потенциальной энергии тела на любой высоте во время подъёма или падения будет равна 

E = Eк + Eп 

Полная механическая энергия, т. е. сумма потенциальной и кинетической энергии тела, остаётся постоянной, если действуют только силы упругости и тяготения и отсутствуют силы трения. 

В этом и заключается закон сохранения механической энергии. 

   

Рис. Использование энергии Солнца: 

а — нагревание поверхности Земли; б — поглощение солнечной энергии растениями и превращение её в химическую энергию 

Когда мы изучали падение свинцового шара на свинцовую доску, то наблюдали превращение механической энергии во внутреннюю. 

Следовательно, механическая и внутренняя энергия могут переходить от одного тела к другому. 

Этот вывод справедлив для всех тепловых процессов. При теплопередаче, например, тело более нагретое отдает энергию, а тело менее нагретое получает энергию. 

При сгорании топлива в двигателе машины внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движения. 

При переходе энергии от одного тела к другому или при превращении одного вида энергии в другой энергия сохраняется. 

Примером, подтверждающим сделанный вывод, служит опыт по смешиванию холодной и горячей воды при условии, что мы не допустим перехода теплоты к другим телам. В опыте количество теплоты, отданное горячей водой, равнялось количеству теплоты, полученному холодной водой.  

Изучение явлений превращения одного вида энергии в другой привело к открытию одного из основных законов природы — закона сохранения и превращения энергии. 

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется. 

Исследуя явления природы, учёные всегда руководствуются этим законом. 

Теперь мы можем сказать, что энергия не может появиться у тела, если оно не получило её от другого тела. Для иллюстрации этого закона природы рассмотрим несколько примеров. 

Солнечные лучи несут определённый запас энергии. Падая на поверхность Земли, лучи нагревают её. Энергия солнечных лучей при этом превращается во внутреннюю энергию почвы и тел, находящихся на поверхности Земли. Воздушные массы, нагревшись от поверхности Земли, приходят в движение — появляется ветер. Происходит превращение внутренней энергии, которой обладают воздушные массы, в механическую энергию.  

Часть энергии солнечных лучей поглощается на поверхности земли листьями растений. При этом в растениях происходят сложные химические реакции. В результате образуются органические соединения, т. е. происходит превращение энергии, переносимой солнечными лучами, в химическую энергию. 

Превращение внутриатомной энергии в другие виды энергии находит применение на практике. Атомную энергию, например, преобразуют в электрическую на атомных электростанциях (АЭС). 

Закон сохранения энергии представляет научную основу для разнообразных расчётов во всех областях науки и техники. Следует учитывать, что полностью внутреннюю энергию нельзя превратить в механическую. 

Домашнее задание.

Задание 1. Ответь на вопросы.

1.    Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую. 

2.    Приведите примеры перехода энергии от одного тела к другому. 

3.     Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому её значение сохраняется? 

4.    В чём состоит закон сохранения энергии? 

5.    Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике? 
Задание 2. Решите.

1.    Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает её в землю. Какие превращения и переходы энергии при этом происходят? (Следует учесть, что свая и почва нагреваются при ударе.) 

2.    Какие превращения кинетической энергии автомобиля происходят при торможении? 

К занятию прикреплены файлы  » Самостоятельная работа.» и  «Использование энергии Солнца на земле». Вы можете скачать файлы, ознакомиться с дополнительным материалом и решить задания самостоятельно в любое удобное для вас время.

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Ранее мы уже рас­смат­ри­ва­ли воз­мож­ность
пре­вра­ще­ния од­но­го вида ме­ха­ни­че­ской энер­гии в дру­гой,
на­при­мер, по­тен­ци­аль­ной в ки­не­ти­че­скую или, на­о­бо­рот,
ки­не­ти­че­ской в по­тен­ци­аль­ную. Также мы при­во­ди­ли при­мер
пе­ри­о­ди­че­ско­го пре­вра­ще­ния по­тен­ци­аль­ной и ки­не­ти­че­ской
энер­гии друг в друга.

При­мер 1.Пе­ре­ход по­тен­ци­аль­ной энер­гии в ки­не­ти­че­скую.

Этот при­мер мы уже рас­смат­ри­ва­ли в курсе 7 клас­са и в на­ча­ле
изу­че­ния этого раз­де­ла тоже. Если пред­ста­вить себе тело,
за­креп­лен­ное на неко­то­рой вы­со­те, то оно имеет некую
по­тен­ци­аль­ную энер­гию от­но­си­тель­но уров­ня по­верх­но­сти.
Потом, если это тело от­пу­стить, то оно нач­нет па­дать, т. е. его
вы­со­та будет умень­шать­ся, и уско­рять­ся, т. е. уве­ли­чи­вать свою
ско­рость. Сле­до­ва­тель­но, его по­тен­ци­аль­ная энер­гия будет
умень­шать­ся, а ки­не­ти­че­ская уве­ли­чи­вать­ся (рис. 1), энер­гии
будут пре­вра­щать­ся друг в друга. В мо­мент перед самым
при­кос­но­ве­ни­ем с зем­лей вся по­тен­ци­аль­ная энер­гия тела
пе­ре­хо­дит в ки­не­ти­че­скую.

Рис. 1. Пре­вра­ще­ние по­тен­ци­аль­ной энер­гии в ки­не­ти­че­скую.

При­мер 2.Пе­ри­о­ди­че­ские пре­вра­ще­ния типов ме­ха­ни­че­ской энер­гии (ма­ят­ни­ки). Рас­смот­рим по оче­ре­ди три вида ма­ят­ни­ков: ма­те­ма­ти­че­ский, пру­жин­ный, ма­ят­ник Макс­ве­ла.

1. Ма­ят­ник Макс­ве­ла пред­став­ля­ет собой диск, за­креп­лен­ный на оси, на ко­то­рую на­ма­ты­ва­ют­ся две нити (рис. 2).

Рис. 2. Ма­ят­ник Макс­ве­ла.

Прин­цип ра­бо­ты этого ма­ят­ни­ка сле­ду­ю­щий: сна­ча­ла нити
на­ма­ты­ва­ют­ся на ось, тем самым под­ни­мая ма­ят­ник вверх и
со­об­щая ему до­пол­ни­тель­ную по­тен­ци­аль­ную энер­гию, затем диск
ма­ят­ни­ка от­пус­ка­ют, и он на­чи­на­ет, рас­кру­чи­ва­ясь,
дви­гать­ся вниз, нить раз­ма­ты­ва­ет­ся до конца, затем
на­ма­ты­ва­ет­ся снова по инер­ции и т. д.

Таким об­ра­зом, можно на­блю­дать сле­ду­ю­щие пре­об­ра­зо­ва­ния
ме­ха­ни­че­ской энер­гии: на­чаль­ное на­коп­ле­ние по­тен­ци­аль­ной
энер­гии – пре­вра­ще­ние ее в ки­не­ти­че­скую энер­гию –
пре­вра­ще­ние в по­тен­ци­аль­ную…

2. Ма­те­ма­ти­че­ский ма­ят­ник (груз на нити) – ма­те­ри­аль­ная точка, со­вер­ша­ю­щая ко­ле­ба­ния под дей­стви­ем силы тя­же­сти на длин­ной нерас­тя­жи­мой нити (рис. 3).

Рис. 3. Ма­те­ма­ти­че­ский ма­ят­ник.

Для на­ча­ла ко­ле­ба­тель­но­го про­цес­са в этом ма­ят­ни­ке
от­во­дим тело, под­ве­шен­ное на нити, от по­ло­же­ния рав­но­ве­сия
(при­да­ем ему по­тен­ци­аль­ную энер­гию) и от­пус­ка­ем, после этого
на­блю­да­ют­ся го­ри­зон­таль­ные ко­ле­ба­ния в вер­ти­каль­ной
плос­ко­сти, и мы можем ви­деть по­хо­жие на преды­ду­щий при­мер
пре­вра­ще­ния энер­гии: подъ­ем – пе­ре­ход ки­не­ти­че­ской энер­гии в
по­тен­ци­аль­ную, опус­ка­ние – пе­ре­ход по­тен­ци­аль­ной в
ки­не­ти­че­скую и т. д.

3. Пру­жин­ный ма­ят­ник – груз, со­вер­ша­ю­щий ко­ле­ба­ния на пру­жине под дей­стви­ем силы упру­го­сти (рис. 4).

Рис. 4. Пру­жин­ный ма­ят­ник.

Если под­ве­сить груз к пру­жине и от­тя­нуть ее вниз (при­дать
пру­жине по­тен­ци­аль­ную энер­гию), а затем от­пу­стить, то будут
на­блю­дать­ся более слож­ные пре­вра­ще­ния энер­гии: по­тен­ци­аль­ная
энер­гия пру­жи­ны в ки­не­ти­че­скую и по­тен­ци­аль­ную энер­гию
груза и на­о­бо­рот.

Все при­ве­ден­ные при­ме­ры экс­пе­ри­мен­тов
го­во­рят о том, что мы уже знаем, что пол­ная ме­ха­ни­че­ская энер­гия
тела (сумма ки­не­ти­че­ской и по­тен­ци­аль­ной) не ме­ня­ет­ся или,
как го­во­рят по-дру­го­му, со­хра­ня­ет­ся. Это мы на­зы­ва­ем
за­ко­ном со­хра­не­ния ме­ха­ни­че­ской энер­гии:

За­ме­ча­ние.Важно пом­нить, что этот закон вы­пол­нен толь­ко для за­мкну­той си­сте­мы тел.

Опре­де­ле­ние.За­мкну­тая си­сте­ма тел – это та си­сте­ма, в ко­то­рой не дей­ству­ют внеш­ние силы.

При­мер 3. Те­перь необ­хо­ди­мо пе­рей­ти к ос­нов­ной части нашей се­го­дняш­ней темы и вспом­нить каким об­ра­зом ме­ха­ни­че­ская энер­гия может пе­ре­хо­дить во внут­рен­нюю.
Про­ис­хо­дит этот про­цесс путем со­вер­ше­ния ме­ха­ни­че­ской
ра­бо­ты над телом, на­при­мер, при сги­ба­нии и раз­ги­ба­нии
про­во­ло­ки она будет на­гре­вать­ся, при несколь­ких уда­рах мо­лот­ка
о на­ко­валь­ню на­гре­ет­ся и мо­ло­ток и на­ко­валь­ня.

При­мер 4. Воз­мо­жен и об­рат­ный про­цесс, когда внут­рен­няя энер­гия будет пе­ре­хо­дить в ме­ха­ни­че­скую. На­при­мер, по­доб­ные про­цес­сы про­ис­хо­дят в дви­га­те­ле внут­рен­не­го сго­ра­ния (рис. 5).

Рис. 5. Дви­га­тель внут­рен­не­го сго­ра­ния (Ис­точ­ник).

Прин­цип ра­бо­ты дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния ос­но­ван на
пре­об­ра­зо­ва­нии энер­гии сго­ра­ния топ­ли­ва в ме­ха­ни­че­скую
энер­гию дви­же­ния порш­ней, ко­то­рая затем через пе­ре­да­точ­ные
ме­ха­низ­мы пре­об­ра­зу­ет­ся в энер­гию вра­ще­ния колес
ав­то­мо­би­ля.

Ана­ло­гич­ный прин­цип пре­вра­ще­ния внут­рен­ней энер­гии в
ме­ха­ни­че­скую про­ис­хо­дит и в па­ро­вых дви­га­те­лях (рис. 6).

       

Рис. 6. Па­ро­вой дви­га­тель на па­ро­вой ма­шине (Ис­точ­ник)

Во­про­са­ми пре­об­ра­зо­ва­ний ме­ха­ни­че­ской и
внут­рен­ней энер­гий очень ак­тив­но за­ни­ма­лись в XIX веке.
Ос­нов­ные ис­сле­до­ва­ния были про­ве­де­ны сле­ду­ю­щи­ми уче­ны­ми.

Немец­кий уче­ный Юлиус Майер (рис. 7) по­ка­зал в своих
экс­пе­ри­мен­тах, что воз­мож­ны вза­им­ные пре­вра­ще­ния внут­рен­ней
и ме­ха­ни­че­ской энер­гий и что из­ме­не­ние внут­рен­ней энер­гии в
таких про­цес­сах эк­ви­ва­лент­но со­вер­шен­ной ра­бо­те.

Рис. 7. Юлиус Майер (1814–1878) (Ис­точ­ник)

От­дель­ный ин­те­рес со­став­ля­ет ра­бо­та ан­глий­ско­го уче­но­го
Джейм­са Джо­у­ля (рис. 8), ко­то­рый с по­мо­щью ряда
экс­пе­ри­мен­тов по­лу­чил до­ка­за­тель­ство того, что между
со­вер­шен­ной над телом ра­бо­той и его из­ме­не­ни­ем внут­рен­ней
энер­гии су­ще­ству­ет точ­ное ра­вен­ство.

Рис. 8. Джеймс Джо­уль (1819–1889) (Ис­точ­ник)

Осо­бый ин­те­рес со­став­ля­ет тот факт, что в 1843 году
фран­цуз­ский ин­же­нер Гу­став Гирн (рис. 9) с по­мо­щью серии своих
экс­пе­ри­мен­тов по­пы­тал­ся раз­вен­чать то, что до­ка­зы­ва­ли Майер
и Джо­уль, но ре­зуль­та­ты его экс­пе­ри­мен­тов, на­о­бо­рот, толь­ко
еще раз до­ка­за­ли со­от­вет­ствие в пре­вра­ще­ни­ях ме­ха­ни­че­ской
энер­гии во внут­рен­нюю.

Рис. 9. Гу­став Гирн (Ис­точ­ник)

Для воз­мож­но­сти кор­рект­но­го опи­са­ния
про­цес­сов теп­ло­об­ме­на важно, чтобы си­сте­ма, в ко­то­рой они
про­ис­хо­дят, была теп­ло­изо­ли­ро­ван­ной и внеш­ние
теп­ло­об­мен­ные про­цес­сы не вли­я­ли на тела, на­хо­дя­щи­е­ся в
рас­смат­ри­ва­е­мой си­сте­ме.

В таком слу­чае вы­пол­нен закон со­хра­не­ния энер­гии – если си­сте­ма яв­ля­ет­ся за­мкну­той и теп­ло­изо­ли­ро­ван­ной, то энер­гия в этой си­сте­ме оста­ет­ся неиз­мен­ной.

За­ме­ча­ние. Дан­ный закон еще очень часто име­ну­ют ос­нов­ным за­ко­ном при­ро­ды.

Се­год­ня мы по­го­во­ри­ли о вза­им­ных пре­вра­ще­ни­ях раз­лич­ных
типов ме­ха­ни­че­ской энер­гии друг в друга: ме­ха­ни­че­ской в
теп­ло­вую, теп­ло­вой в ме­ха­ни­че­скую. Кроме того, мы рас­смот­ре­ли
важ­ней­ший закон фи­зи­ки – закон со­хра­не­ния энер­гии.

На сле­ду­ю­щем уроке мы изу­чим урав­не­ние теп­ло­во­го ба­лан­са.

 

Спи­сок ре­ко­мен­до­ван­ной ли­те­ра­ту­ры

1. Ген­ден­штейн Л. Э, Кай­да­лов А. Б., Ко­жев­ни­ков В. Б. /Под
ред. Ор­ло­ва В. А., Рой­зе­на И. И. Фи­зи­ка 8. – М.: Мне­мо­зи­на.

2. Пе­рыш­кин А. В. Фи­зи­ка 8. – М.: Дрофа, 2010.

3. Фа­де­е­ва А. А., Засов А. В., Ки­се­лев Д. Ф. Фи­зи­ка 8. – М.: Про­све­ще­ние.

 

Ре­ко­мен­до­ван­ные ссыл­ки на ин­тер­нет-ре­сур­сы

1. Эк­за­ме­на­ци­он­ный про­ект по фи­зи­ке (Ис­точ­ник).

2. Youtube (Ис­точ­ник).

3. Youtube (Ис­точ­ник).

 

Ре­ко­мен­до­ван­ное до­маш­нее за­да­ние

1. Стр. 29: во­про­сы № 1–5; упраж­не­ния № 1–4. Пе­рыш­кин А. В. Фи­зи­ка 8. – М.: Дрофа, 2010.

2. Дви­га­тель мощ­но­стью 25 Вт в те­че­ние 7 мин за­став­ля­ет
вра­щать­ся ло­па­сти винта внут­ри за­пол­нен­но­го водой
ка­ло­ри­мет­ра. За счет со­про­тив­ле­ния вода на­гре­ва­ет­ся на . Сколь­ко воды на­хо­дит­ся в ка­ло­ри­мет­ре?

3. С вы­со­ты 14 м на песок па­да­ет свин­цо­вый шар. На сколь­ко
гра­ду­сов на­гре­ет­ся шар, если 50% его по­тен­ци­аль­ной энер­гии
пе­рей­дет во внут­рен­нюю?

4. * Ре­ак­тив­ный са­мо­лет имеет че­ты­ре дви­га­те­ля,
раз­ви­ва­ю­щих силу тяги 20000 Н каж­дый. Сколь­ко ке­ро­си­на
из­рас­хо­ду­ют дви­га­те­ли на пе­ре­лет 5000 км? Удель­ная теп­ло­та
сго­ра­ния ке­ро­си­на , КПД дви­га­те­ля 25%.

http://interneturok.ru/physics/8-klass/teplovye-yavleniya/zakon-sohraneniya-i-prevrascheniya-energii-v-mehanicheskih-i-teplovyh-protsessah?seconds=0&chapter_id=104

Внутренняя энергия | Физика

Мы знаем, что существуют два вида механической энергии: кинетическая и потенциальная. Кинетической энергией тела обладают вследствие своего движения, потенциальной — вследствие своего взаимодействия с другими телами.

Изучая механические явления, мы узнали, что кинетическая и потенциальная энергии могут превращаться друг в друга. Примеры такого превращения можно найти в § 15 и 18.
Рассмотрим еще один пример. Предположим, что на свинцовой плите лежит свинцовый шар. Поднимем его вверх и отпустим (рис. 59, а). Когда мы подняли шар, то сообщили ему потенциальную энергию. При падении шара она уменьшается, так как шар опускается все ниже и ниже. Но с увеличением скорости постепенно увеличивается кинетическая энергия шара. Происходит превращение потенциальной энергии тела в кинетическую. Но вот шар ударился о свинцовую плиту и остановился (рис. 59, б). И кинетическая, и потенциальная энергии его относительно плиты в этот момент стали равными нулю.

Означает ли это, что энергия, которой обладал до этого шар, бесследно исчезла? Нет, не означает. Рассматривая шар и плиту после удара, мы увидим, что их состояние изменилось: шар немного сплющился и на плите образовалась небольшая вмятина; измерив же их температуру, мы обнаружим, что они нагрелись.

Но мы уже знаем, что при нагревании происходит увеличение средней кинетической энергии молекул тела. Молекулы обладают также и потенциальной энергией: ведь они взаимодействуют друг с другом — притягиваются, а при очень тесном сближении отталкиваются друг от друга. При деформации изменяется взаимное расположение частиц тела, поэтому изменяется и их потенциальная энергия.

Таким образом, мы можем утверждать, что в результате удара шара о плиту происходит изменение как кинетической, так и потенциальной энергии частиц этих тел. Это означает, что механическая энергия, которой обладал в начале опыта шар, не исчезла бесследно: она перешла в энергию молекул.

Энергию движения и взаимодействия частиц, из которых состоит тело, называют внутренней энергией тела.

U — внутренняя энергия.

Тепловое движение молекул никогда не прекращается. Поэтому любое тело всегда обладает какой-то внутренней энергией.

Изучение тепловых явлений показывает, что на сколько в них уменьшается механическая энергия тел, на столько же увеличивается их внутренняя энергия. Полная же энергия тел, равная сумме их механической и внутренней энергий, при любых процессах остается неизменной. В этом заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления.

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может лишь переходить из одного вида в другой, сохраняя свое полное (общее) значение. Так, например, при взлете ракеты происходит превращение внутренней энергии сгорающего топлива в механическую энергию оболочки ракеты; при возникновении ветра внутренняя энергия нагретого воздуха превращается в кинетическую энергию движущихся воздушных масс и т. д.

Одним из первых, кто обратил внимание на взаимопревращаемость различных видов энергии, был немецкий ученый Юлиус Роберт Майер (1814—1878). В 1838 г. он защитил диссертацию на степень доктора медицины и через два года в качестве корабельного врача отправился в плавание на остров Яву. Во время плавания он задумался над тем, почему после сильной бури вода в море всегда оказывается теплее, чем до нее. А прибыв на остров, Майер обратил внимание на непривычно яркий цвет крови у матросов, которых он лечил. В северных широтах кровь у людей имела иной, более темный оттенок. Возникал вопрос: почему? Эта проблема настолько увлекла Майера, что больше он ни о чем не думал. В письме своему другу он потом написал: «Я с такой любовью ухватился за работу, что мало интересовался — над чем иной может посмеяться — той далекой частью света; охотнее всего я оставался на борту, где я мог беспрепятственно отдаваться своей работе и где я в некоторые часы чувствовал себя как бы вдохновленным и ни раньше, ни позже ничего подобного, насколько помню, не переживал».

Размышляя о процессах, происходящих в человеческом организме (в зависимости от температурных условий, в которых находится человек), и энергии, выделяющейся в нем при «сгорании» пищи, Майер в конце концов открыл один из самых фундаментальных законов физики — закон сохранения и превращения энергии.

1. Какие превращения энергии происходят при подъеме и падении шара? 2. Как изменяется состояние свинцового шара и плиты в результате их соударения? 3. В какую энергию превращается механическая энергия шара при его ударе о плиту? 4. Какую энергию называют внутренней энергией тела? 5. В чем заключается закон сохранения энергии, распространенный на тепловые явления? 6. Может ли тело обладать механической энергией, но не иметь при этом внутренней энергии? 7. Может ли тело обладать внутренней энергией, но не иметь при этом механической энергии? Приведите примеры. 8. Каким превращением энергии обусловлено нагревание морской воды после бури?

§ 11. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

1. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую.

Условие:

Некие тела во взаимодействии.

Решение:

Допустим, родственники отправились в сафари на выходные. Едут на легковом автомобиле массой с людьми около 4х тонн со скоростью 120 км/ч. А на них сбоку несется самец носорога белого массой те же 4 тонны и со скоростью 40 км/ч. От удара машину подбрасывает, развал-схождение разлетается с колесами во все стороны, а в корпусе дыра огромная. Значит кинетическая энергия носорога перешла во внутреннюю потенциальную энергию машины — в неупругие деформации металла от которых материал детали разрывается, т. е. рвутся атомные связи материала. 

Один из выживших берет ружье и убивает носорога. Значит кинетическая энергия свинцовой пули перешла в энергию механических повреждений органов носорога, т.е в потенциальную энергию биохимических связей, которые стали рваться, что привело к нарушению метаболизма, несовместимого с жизнью. Смерть сопровождалась уменьшением внутренней кинетической энергии тела носорога — температура тела стала падать до температуры окружающего воздуха (если она была ниже температуры тела носорога), а потенциальная энергия биохимических связей возрастать из-за их разрывов и перехода высвободившейся энергии на необратимые процессы новых биохимических реакций, идущих в разлагающихся тканях и органах.

Охотник отрезает большой кусок мяса от убитого носорога и съедает его за ужином. Внутренняя потенциальная энергия биохимических связей в мясе переходит во внутреннюю кинетическую и потенциальную энергию биохимических связей и процессов охотника. Это позволяет ему произвести огромную механическую работу по перетаскиванию разбитой машины к ближайшему СТО. Т.е., внутренняя энергия куска мяса носорога перешла, в итоге, в механическую энергию охотника.

Советы:

Но сам процесс восстановления машины сопровождается превращением механической энергии устройств по выпрямлению деталей машин в тепловую внутреннюю, когда деталь нагревается от сильных деформаций — внутренняя потенциальная энергия переходит во внутреннюю кинетическую и температура детали растет. Или при газовой сварке частей машины, тепло от пламени газа преобразуется в кинетическую энергию атомов металла, которые, отдавая свою энергию другим атомам и устанавливают новые связи с атомами припоя, т.е. кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию металлических связей.

2. Приведите примеры перехода энергии от одного тела к другому.

Условие:

Некие тела во взаимодействии.

Решение:

При катастрофическом понижении температуры всей атмосферы Земли до -50°С 12 тысяч лет назад из-за резкого изменения положения полюсов и наклона оси вращения планеты, сопровождающегося выбросом большого числа газов из земных недр в атмосферу, внутренняя тепловая энергия океанов перешла к холодной атмосфере. Соленая вода океанов, быстро охлажденная до температур ниже -2°С, замерзла. Все живые организмы оказались вмерзшими в лед. Лёд с вмёрзшими организмами, находящийся у современного южного и северного полюса впоследствии не получил достаточно тепла для оттаивания и тела организмов до сих пор обнаруживают в нём.

Советы:

Внутренняя тепловая энергия живых организмов перешла во внутреннюю тепловую энергию окружающего их льда и от льда к океанской воде и атмосфере.

3. Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому её значение сохраняется?

Условие:

Калориметр с холодной и горячей водой, Тх — температура холодной воды, Тг — горячей, их массы равны m, а удельная теплоемкость воды с.

Решение:

При перемешивании холодной и горячей воды тепло от горячей воды переходит к холодной. Количество этой теплоты Q1=c·m(θ-Tг), а от холодной воды к горячей переходит количество тепла Q2=-c·m(θ-Tx), где θ — равновесная температура системы после перемешивания и выравнивания их температур. Калориметр показал, что при этом выделилось количество теплоты Q=Q1+Q2=0 Дж. Т.е. сколько тепла отдала горячая вода, столько тепла получила холодная. А т.к. теплообмен происходил посредством теплопередачи, то это количества тепла соответствовали внутренним энергиям тел: уменьшение внутренней энергии горячей воды равно увеличению внутренней энергии холодной воды.

Советы:

Когда холодное тело получает тепло от нагретого, можно говорить, что холодное тело отдало нагретому такое же количество тепла, но с обратным знаком.

4. В чём состоит закон сохранения энергии?

Условие:

Некие физические процессы и явления.

Решение:

Во всех явлениях природы энергия не исчезает и не возникает. Она лишь превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется. Например, при попадании раскаленного железного предмета в воду, часть тепла от предмета уходит в воду и равномерно в ней распределяется, а другая часть уходит на испарение некоторого количества воды. 

Советы:

В сумме, тепло, отданное железным предметом равно теплу, полученному не испарившейся водой, теплу, потраченному на испарение воды.

5. Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?

Условие:

Наука и техника.

Решение:

Все расчеты в науке и технике основываются на законе сохранения энергии. Ученый, который рассчитывает что-то, вынужден считаться с этим законом, т.к. чтобы что-то посчитать, ему надо поесть, получить извне порцию энергию, которая преобразуется в энергию, потребляемую его мозгом и остальными органами.

Советы:

Если при расчете или проверке результата оказывается, что энергия не сохраняется, весь расчет или опыт начинают с нуля, неважно, сколько времени и денег потрачено до этого.

Упражнение 10.1. Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает её в землю. Какие превращения и переходы энергии при этом происходят? (Следует учесть, что свая и почва нагреваются при ударе.)

Условие:

Копр за работой.

Решение:

Поднятый молот имеет запас потенциальной энергии mgh, где m — масса молота, g — ускорение свободного падения, h — высота поднятия молота. При падении молот приобретает кинетическую энергию mv2/2 за счет уменьшения потенциальной. При ударе о сваю кинетическая энергия молота переходит в шесть видов энергии: (1) кинетическую энергию сваи (свая движется вниз), (2) энергию механических деформаций грунта (грунт деформируется, позволяя свае двигаться сквозь свою толщу), (3) внутреннюю кинетическую энергию беспорядочных колебаний атомов грунта, а это значит нагревание грунта, (4) внутреннюю энергию механических деформаций материала сваи и (5) внутреннюю кинетическую энергию беспорядочных колебаний атомов сваи, что обуславливает повышение температуры сваи, (6) энергию звуковой волны, распространяющейся в воздухе и улавливаемой ухом.

Советы:

Ещё есть седьмой и восьмой виды энергии: (7) механическую энергию деформаций материала молота, упругая часть которой вновь переходит в кинетическую энергию молота — молот отскакивает от сваи после удара, (8) внутреннюю кинетическую энергию беспорядочных колебаний атомов молота, что обуславливает повышение температуры молота.

Упражнение 10.2. Какие превращения кинетической энергии автомобиля происходят при торможении?

Условие:

Тормозящий автомобиль.

Решение:

Т.к. все детали автомобиля обладают массой, то при торможении автомобиля все детали по инерции будут двигаться с неизменной скоростью, но закрепленные в жесткую конструкцию неизбежно деформируются — кинетическая энергия тормозящего автомобиля переходит в энергию механических деформаций деталей машины, неупругая часть которой перейдет во внутреннюю потенциальную энергию смещенных атомов и атомных слоев и во внутреннюю кинетическую энергию хаотических колебаний атомов материалов деталей. Так же часть кинетической энергии уйдет на сжимание жидкого топлива в бензобаке, а значит на его нагрев. Трение покрышек о грунт приведет к переходу кинетической энергии автомобиля в тепловую энергию материала покрышки и грунта — их температуры увеличатся. Также трение приведет к механическим деформациям материала покрышки и грунта, т.е. кинетическая энергия автомобиля ещё перейдет во внутреннюю потенциальную энергию атомов и атомных слоев покрышки и грунта.

Советы:

После остановки вся кинетическая энергия будет сосредоточена в во внутренней энергии (потенциальной и кинетической) деталей машины, покрышек колес (собственно, они тоже детали машины), грунта и в колебаниях жидкого топлива в баке.

Упражнение 10.3. Два одинаковых стальных шарика падают с одинаковой высоты. Один падает на стальную плиту и отскакивает вверх, другой попадает в песок и застревает в нем. Какие переходы энергии происходят в каждом случае?

Условие:

Два стальных шарика, стальная плита, песок.

Решение:

При падении на стальную плиту кинетическая энергия стального шарика переходит в энергию механических деформаций шарика и плиты. Упругая часть этой энергии переходит в кинетическую энергию шарика обратно и он подскакивает — т.е. сжатие материала шарика и плиты перешло в расширение материала, т.к. потенциальная энергия атомных слоев стали увеличилась при сжатии до предельного значения, определяемого силой удара (кинетической энергий падающего шарика) и затем перешла в кинетическую энергию движения атомных слоев при восстановлении формы шарика и плиты. Часть кинетической энергии падающего шарика ушла внутреннюю потенциальную энергию атомных деформированных слоев шарика и плиты, которые не восстановили своего положения и на внутреннюю кинетическую энергию хаотических колебаний атомов шарика и плиты — оба тела нагрелись при ударе. 

При падении в песок кинетическая энергия шарика перешла вначале в кинетическую энергию толкаемых шариком песчинок песка, которые передали кинетическую свою энергию соседним слоям песка (соседним песчинкам), но так как песчинки уплотнялись, то вся кинетическая энергия шарика в итоге перешла в потенциальную энергию сжатия песчинок друг с другом. Так как песчинки терлись друг об друга и об шарик, то часть кинетической энергии ушла на нагрев песка и шарика.

Советы:

При ударе о плиту и песок слышен звук, значит часть кинетической энергии шарика унеслась звуковой волной.

Упражнение 10.4. Опишите все превращения и переходы энергии, которые происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой пробкой (см. рис. 3).

Условие:

Закупоренная трубка с эфиром внутри.

Решение:

Кинетическая энергия движения веревки посредством трения о трубку переходит во внутреннюю энергию материала трубки — в кинетическую энергию хаотических колебаний атомов металла. Это означает увеличение температуры трубки. Хаотические беспорядочные колебания атомов металла передаются молекулам жидкого эфира внутри трубки. Внутренняя кинетическая энергия эфира увеличивается, эфир нагревается. Так как эфир легко закипает, то этого нагревания достаточно для его закипания и испарения. Внутренняя кинетическая энергия жидкого эфира уходит на его испарение. Так как объем внутри трубки фиксирован, то при испарении эфира его давление увеличивается. Увеличивается внутренняя потенциальная и кинетическая энергия паров эфира. Давление эфира выталкивает пробку — внутренняя энергия паров эфира перешла в кинетическую энергию вылетевшей пробки.

Советы:

Вышедший из трубки пар эфира расширяется, охлаждается и конденсируется — внутренняя энергия пара уменьшилась за счет выполнения работы на расширение и в виде тепла передалась окружающему воздуху.

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

При падении тела его потенциальная энергия превращается в кинетическую. При падении свинцового шара на свинцовую пластину механическая энергия превращается во внутреннюю энергию шара и пластины. В двигателе автомобиля и трактора внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию движения.

Механическая и внутренняя энергии могут переходить от одного тела к другому. Кинетическая энергия текущей воды передается, например, колесам турбины, а энергия движущегося ветра — крыльям ветряного двигателя. Переход внутренней энергии от одного тела к другому мы наблюдали при теплопередаче, когда внутренняя энергия от одного тела (например, нагретой печи) передавалась другому телу (воздуху комнаты).

Сохраняется ли энергия при переходе ее от одного тела к другому или при превращении из одного вида в другой?

Рассмотрев пример  и проделав лабораторную работу по смешиванию горячей и холодной воды, мы убедились, что количество теплоты, отданное горячей водой, равнялось количеству теплоты, полученному холодной водой. Значит, сколько внутренней энергии отдало одно тело, столько же получило и второе, т. е. значение внутренней энергии сохранилось при переходе от одного тела к другому.

Сделанный вывод относится не только к внутренней энергии.

Все другие, более сложные опыты, которые мы будем изучать в дальнейшем, показывают, что при любых превращениях энергии ее значение сохраняется.

Наблюдения и опыты привели к открытию одного из основных законов физики — закона сохранения и превращения энергии.

Этот закон устанавливает, что энергия не исчезает и не создается. Она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому.

Энергия не может появиться у тела, если оно не получило ее от другого тела. Энергия текущей воды и ветра получается, как мы знаем, за счет энергии Солнца, потенциальная энергия взлетевшей вверх ракеты — за счет энергии израсходованного при ее запуске топлива; воздух в комнате нагревается, т. е. его внутренняя энергия: увеличивается за счет энергии, полученной от печи или батареи отопления.

Закон сохранения энергии — один из величайших законов природы. Мы наблюдаем его проявление, как в живой, так и в неживой природе, он всегда учитывается в науке и технике.

Изучая различные механизмы, мы познакомились с «золотым правилом» механики, согласно которому ни один механизм не может дать выигрыша в работе. Это правило является одним из проявлений закона сохранения энергии. Действительно, если бы мы, поднимая тело при помощи рычага, получили работу больше той, которую совершили, то и потенциальная энергия поднятого тела оказалась бы больше затраченной энергии, а это согласно закону сохранения энергии невозможно.

Закон сохранения энергии опровергает религиозные легенды о создании мира богом. Из него следует, что материальный мир никем не создан, он существует вечно, непрерывно развиваясь.

Вопросы. 1. Приведите примеры превращения механической энергии во внутреннюю и внутренней в механическую. 2. Приведите примеры перехода механической энергии от одного тела к другому. 3. Какой опыт показывает, что при переходе внутренней энергии от одного тела к другому ее значение сохраняется? 4. В чем состоит закон сохранения энергий? 5. Какое значение имеет закон сохранения энергии в науке и технике?

Упражнения.

  1. Молот копра при падении ударяет о сваю и забивает ее в землю. Какие превращения и переходы энергии при этом происходят? (Следует учесть, что свая и почва нагреваются при ударе.)
  2. Какие превращения кинетической энергии автомобиля происходят при его торможении?
  3. Два одинаковых стальных шарика падают с одинаковой, высоты. Один падает на стальную плиту и отскакивает вверх, другой попадает в песок и застревает в нем. Какие переходы энергии происходят в каждом случае?
  4. Опишите все превращения и переходы энергии, которые происходят при натирании трубки с эфиром, закрытой пробкой.

Закон сохранения энергии.




Титульная

Механика
Литература

Силы, работа которых не зависит от формы траектории,
а определяется начальным и конечным положением тела, называются
потенциальными. Очевидно, что работа потенциальных
сил на замкнутой траектории равна нулю.


Все силы, работа которых зависит от формы траектории,
называются непотенциальными. Непотенциальными
силами являются силы трения, сопротивления.


Для системы тел, в которой действуют потенциальные силы
взаимодействия, можно ввести понятие потенциальной энергии.


Потенциальная энергия — некоторая
функция, описывающая взаимное расположение тел в системе,
изменение которой взятое с обратным знаком, равно работе
потенциальных сил, действующих между телами ситемы

или же это энергия взаимного действия,
взаимного расположения тел относительно друг друга:



Пример.
При прыжке ныряльщика в воду потенциальная
сила притяжения совершает работу, которая равна изменению
потенциальной энергии ныряльщика. Эта работа идет на изменение
кинетической энергии прыгуна.

    Свойства потенциальной энергии:

  • это энергия системы тел, между которыми действуют
    потенциальные силы взаимодействия;
  • потенциальная энергия определяется с точностью до постоянного
    слагаемого. При этом за нулевой уровень потенциальной
    энергии можно принять любое состояние системы;
  • формула для расчета потенциальной энергии может быть
    разной и зависит от характера взаимодействия тел;
    общим для всех видов потенциальной энергии является ее
    связь с работой потенциальных сил:


    A=Epсил=-(Ep1-Ep2)


Кинетическая энергия — энергия движения.
Работа силы, приложенной к телу при
изменении его V, равна изменению
кинетической энергии:


Закон сохранения энергии.

Приращение потенциальной энергии брошенного
вверх тела происходит за счет убыли его кинетической
энергии; при падении тела, приращение кинетической
энергии происходит за счет убыли потенциальной
энергии, так что полная механическая энергия тела

не меняется. Аналогично, если на тело действует
сжатая пружина, то она может сообщить телу некоторую
скорость,
т. е. кинетическую энергию, но при этом
пружина будет распрямляться, и ее потенциальная энергия
будет соответственно уменьшаться; сумма потенциальной
и кинетической энергий останется постоянной. Если на тело,
кроме пружины, действует еще и сила тяжести, то хотя
при движении тела энергия каждого вида будет изменяться,
но сумма потенциальной энергии тяготения, потенциальной
энергии пружины и кинетической энергии тела опять-таки
будет оставаться постоянной.


Энергия может переходить из одного вида в другой, может
переходить от одного тела к другому, но общий запас
механической энергии остаётся неизменным. Опыты и
теоретические расчеты показывают, что при отсутствии
сил трения и при воздействии только сил упругости и
тяготения суммарная потенциальная и кинетическая энергия
тела или системы тел остается во всех случаях постоянной.
В этом и заключается закон сохранения механической энергии.


Докажем закон сохранения энергии в
следующем опыте. Стальной шарик, упавший с некоторой
высоты на стальную или стеклянную плиту и ударившийся
об неё, подскакивает почти на ту же высоту, с которой
упал. Во время движения шарика происходит целый
ряд превращений энергии. При падении потенциальная энергия
переходит в кинетическую энергию шарика. Когда шарик
прикоснется к плите, и он и плита начинают деформироваться.


Если рассмотреть кинетическую энергию, то можно сделать
вывод, что она превращается в потенциальную энергию
упругой деформации шарика и плиты, причем этот процесс
продолжается до тех пор, пока шарик не остановится, т. е.
пока вся его кинетическая энергия не перейдёт в
потенциальную энергию упругой деформации. Затем под
действием сил упругости деформированной плиты шарик
приобретает скорость, направленную вверх: энергия
упругой деформации плиты и шарика превращается в
кинетическую энергию шарика. При дальнейшем движении
вверх скорость шарика под действием силы тяжести
уменьшается, и кинетическая энергия превращается в
потенциальную энергию тяготения. В наивысшей точке
шарик обладает снова только потенциальной энергией тяготения.


Поскольку можно считать, что шарик поднялся на ту
же высоту, с которой он начал падать, потенциальная
энергия шарика в начале и в конце описанного
процесса одна и та же. Более, того, в любой момент
времени при всех превращениях энергии сумма
потенциальной энергии тяготения, потенциальной
энергии упругой деформации и кинетической энергии
все время остается одной и той же.


Для процесса превращения потенциальной энергии, обусловленной
силой тяжести, в кинетическую и обратно при падении
и подъеме шарика это было показано простым расчетом.
Можно было бы убедиться, что и при превращении
кинетической энергии в потенциальную энергию упругой
деформации плиты и шарика и затем при обратном
процессе превращения этой энергии в кинетическую
энергию отскакивающего шарика сумма потенциальной
энергии тяготения, энергии упругой деформации и
кинетической энергии также остается неизменной,
т. е. закон сохранения механической энергии выполнен.


Теперь мы можем объяснить, почему нарушался закон
сохранения работы в простой машине, которая
деформировалась при передаче работы: дело в том, что
работа, затраченная на одном конце машины, частично
или полностью затрачивалась на деформацию самой
простой машины (рычага, веревки и т.д.), создавая в
ней некоторую потенциальную энергию деформации, и
лишь остаток работы передавался на другой конец
машины. В сумме же переданная работа вместе с энергией
деформации оказывается равной затраченной работе.
В случае абсолютной жесткости рычага, нерастяжимости
веревки и т. д. простая машина не может накопить в
себе энергию, и вся работа, произведенная на одном ее
конце, полностью передается на другой конец.


Силы трения и закон сохранения механической
энергии.

Присматриваясь к движению шарика,
подпрыгивающего на плите, можно обнаружить, что после
каждого удара шарик поднимается на несколько
меньшую высоту, чем раньше, т. е. полная энергия не
остается в точности постоянной, а понемногу убывает;
это значит, что закон сохранения энергии в таком виде,
как мы его сформулировали, соблюдается в этом случае
только приближённо. Причина заключается в том, что в
этом опыте возникают силы трения, сопротивление воздуха,
в котором движется шарик, и внутреннее трение в самом
материале шарика и плиты. Вообще, при наличии трения закон
сохранения механической энергии всегда нарушается и
полная энергия тел уменьшается. За счет этой убыли
энергии и совершается работа против сил трения. Например,
при падении тела с большой высоты скорость, вследствие
действия возрастающих сил сопротивления среды, вскоре
становится постоянной; кинетическая энергия тела
перестает меняться, но его потенциальная энергия
уменьшается.


Работу против силы сопротивления воздуха
совершает сила тяжести за счет потенциальной,
энергии тела. Хотя при этом и сообщается некоторая
кинетическая энергия окружающему воздуху, но она меньше,
чем убыль потенциальной энергии тела, и, значит,
суммарная механическая энергия убывает.
Работа против сил трения может совершаться и за счет
кинетической энергии. Например, при движении лодки,
которую оттолкнули от берега пруда, потенциальная
энергия лодки остается постоянной, но вследствие
сопротивления воды уменьшается скорость движения лодки,
т. е. ее кинетическая энергия, приращение кинетической
энергии воды, наблюдающееся при этом, меньше, чем убыль
кинетической энергии лодки.


Подобно этому действуют и силы трения между
твердыми телами. Например, скорость, которую приобретает
груз, соскальзывающий с наклонной плоскости, а,
следовательно, и его кинетическая энергия, меньше той,
которую он приобрёл бы в отсутствие трения. Можно
так подобрать угол наклона плоскости, что груз будет
скользить равномерно. При этом его потенциальная энергия
будет убывать, а кинетическая — оставаться постоянной,
и работа против сил трения будет совершаться за счет
потенциальной энергии.


В природе все движения (за исключением движений в
вакууме, например, движений небесных тел) сопровождаются
трением. Поэтому при таких движениях закон сохранения
механической энергии нарушается, и это нарушение
происходит всегда в одну сторону — в сторону уменьшения
полной энергии.


Превращение механической энергии во внутреннюю
энергию.

Особенность сил трения состоит, как мы видели,
в том, что работа, совершённая против сил трения, не
переходит полностью в кинетическую или потенциальную
энергию тел; вследствие этого суммарная механическая
энергия тел уменьшается. Однако работа против сил
трения не исчезает бесследно. Прежде всего, движение
тел при наличия трения ведет к их нагреванию. Мы можем
легко обнаружить это, крепко потирая руки или
протягивая металлическую полоску между сжимающими ее
двумя кусками дерева; полоска даже на ощупь заметно
нагревается. Первобытные люди, как известно, добывали
огонь быстрым трением сухих кусков дерева друг о друга.
Нагревание происходит также при совершении работы
против сил внутреннего трения, например, при многократном
изгибании проволоки. Нагревание при движении,
связанном с преодолением сил трения, часто бывает очень
сильным. Например, при торможении поезда тормозные колодки
сильно нагреваются. При спуске корабля со стапелей на
воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются,
и все же нагревание так велико, что смазка дымится, а
иногда даже загорается.


При движении тел в воздухе с небольшими скоростями,
например, при движении брошенного камня, сопротивление
воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается
небольшая работа, и камень практически не нагревается.
Но быстро летящая пуля разогревается значительно
сильнее. При больших скоростях реактивных самолетов
приходится уже принимать специальные меры для уменьшения
нагревания обшивки самолета. Мелкие метеориты, влетающие
с огромными скоростями (десятки километров в секунду)
в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу
сопротивления среды, что полностью сгорают в
атмосфере. Нагревание в атмосфере искусственного
спутника Земли, возвращающегося на Землю,
так велико, что на нем приходится устанавливать
специальную тепловую защиту.


Кроме нагревания, трущиеся тела могут испытывать
и другие изменения. Например, они могут измельчаться,
растираться в пыль, может происходить плавление,
т. е. переход тел из твердого в жидкое состояние:
кусок льда может расплавиться в результате трения
о другой кусок льда или о какое-либо иное тело.

    Итак, если движение тел связано с преодолением
    сил трения, то оно сопровождается двумя явлениями:

  • сумма кинетической и потенциальной энергий всех
    участвующих в движении тел уменьшается;
  • происходит изменение состояния тел, в
    частности может происходить нагревание.


Это изменение состояния тел происходит всегда таким образом,
что в новом состоянии тела могут
производить большую работу, чем в исходном. Так,
например, если налить в закрытую с одного конца
металлическую трубку немного эфира и, заткнув трубку
пробкой, зажать ее между двумя пластинками и привести
в быстрое вращение, то эфир испарится и вытолкнет пробку.
Значит, в результате работы по преодолению сил трения
трубки о пластинки трубка с эфиром пришла в новое
состояние, в котором она смогла совершить работу,
требующуюся для выталкивания пробки, т. е. работу
против сил трения, удерживающих пробку в трубке, и
работу, идущую на сообщение пробке кинетической
энергии. В исходном состоянии трубка с эфиром не
могла совершить эту работу.


Таким образом, нагревание тел, равно как и
другие изменения, их состояния, сопровождается
изменением «запаса» способности этих тел совершать
работу
. Мы видим, что «запас работоспособности»
зависит, помимо положения тел относительно Земли,
помимо их деформации и их скорости, еще и от
состояния тел.


Значит, помимо потенциальной энергии
тяготения и упругости и кинетической энергии тело
обладает и энергией, зависящей, от его состояния.
Будем называть ее внутренней энергией. Внутренняя энергия
тела зависит от его температуры, от того, является
ли тело твердым, жидким или газообразным, как велика
его поверхность, является ли оно сплошным или мелко
раздробленным и т. д. В частности, чем температура
тела выше, тем больше его внутренняя энергия.
Таким образом, хотя при движениях, связанных с
преодолением сил трения, механическая энергия систем
движущихся тел уменьшается, но зато возрастает их
внутренняя энергия. Например, при торможении поезда
уменьшение его кинетической энергии сопровождается
увеличением внутренней энергии тормозных колодок,
бандаж колес, рельсов, окружающего воздуха и
т. д. в результат нагревания этих тел.
Все сказанное относится также и к тем случаям,
когда силы трения возникают внутри тела, например,
при разминании куска воска, при неупругом ударе
свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки.


Всеобщий характер закона сохранения энергии.

Силы трения занимают особое положение в вопросе о
законе сохранения механической энергии. Если сил
трения нет, то закон сохранения механической
энергии соблюдается: полная механическая энергия
системы остается постоянной. Если же действуют
силы трения, то энергия уже не остается постоянной,
а убывает при движении. Но при этом всегда растет
внутренняя энергия.


С развитием физики обнаруживались
все новые виды энергии: была обнаружена световая
энергия, энергия электромагнитных волн, химическая
энергия
, проявляющаяся при химических реакциях
(в качестве примера достаточно указать хотя бы на
химическую энергию, запасённую во взрывчатых
веществах и превращающуюся в механическую и тепловую
энергию при взрыве), наконец, была открыта ядерная
энергия
. Оказалось, что совершаемая над телом работа
равна сумме всех видов энергии тела;
работа же, совершаемая некоторым телом над другими
телами, равна убыли суммарной энергии данного тела.
Для всех видов энергии оказалось, что возможен
переход энергии из одного вида в другой,
переход энергии от одного тела к другому, но
что при всех таких переходах общая энергия всех
видов остаётся все время строго постоянной. В
этом заключается всеобщность закона сохранения энергии.


Хотя общее количество энергии остается
постоянным, количество полезной для нас энергии
может уменьшаться и в действительности постоянно
уменьшается. Переход энергии в другую форму может
означать переход ее в бесполезную для нас форму.
В механике чаще всего это — нагревание окружающей
среды, трущихся поверхностей и т. п.
Такие потери
не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих
механизмах; так, во избежание перегревания приходится
специально охлаждать трущиеся части механизмов.

Механическая энергия

В предыдущей части Урока 1 было сказано, что работа выполняется над объектом всякий раз, когда на него действует сила, заставляющая его смещаться. Работа включает в себя силу, действующую на объект, вызывающую смещение. Во всех случаях, когда выполняется работа, есть объект, который обеспечивает силу для выполнения работы. Если книгу World Civilization поднять на верхнюю полку шкафчика ученика, тогда ученик предоставит силы для работы с книгой. Если плуг перемещается по полю, то какое-либо сельскохозяйственное оборудование (обычно трактор или лошадь) дает силу для работы на плуге.Если питчер разворачивается и ускоряет бейсбольный мяч по направлению к своей тарелке, то питчер предоставляет силу для выполнения работы с бейсбольным мячом. Если автомобиль с американскими горками перемещается с уровня земли на вершину первого падения американских горок, то цепь, приводимая в движение двигателем, обеспечивает силу, необходимую для работы с автомобилем. Если штанга перемещается с уровня земли на высоту над головой штангиста, то штангист прикладывает силу для работы со штангой. Во всех случаях объект, обладающий некоторой формой энергии, обеспечивает силу для выполнения работы.В описанных здесь случаях объекты, выполняющие работу (ученик, трактор, кувшин, двигатель / цепь), обладают химической потенциальной энергией , хранящейся в пище или топливе, которая превращается в работу. В процессе выполнения работы объект, выполняющий работу, обменивается энергией с объектом, над которым выполняется работа. Когда над объектом выполняется работа, этот объект получает энергию. Энергия, приобретаемая объектами, над которыми выполняется работа, известна как , механическая энергия .

Механическая энергия — это энергия, которой обладает объект в результате его движения или положения. Механическая энергия может быть кинетической (энергия движения) или потенциальной энергией (запасенная энергия положения). Объекты обладают механической энергией, если они находятся в движении и / или если они находятся в некотором положении относительно положения с нулевой потенциальной энергией (например, кирпич, удерживаемый в вертикальном положении над землей или в положении с нулевой высотой). Движущийся автомобиль обладает механической энергией за счет своего движения (кинетическая энергия).Движущийся бейсбольный мяч обладает механической энергией благодаря своей высокой скорости (кинетическая энергия) и вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации). Книга Мировой цивилизации, покоящаяся на верхней полке шкафчика, обладает механической энергией из-за своего вертикального положения над землей (потенциальная энергия гравитации). Штанга, поднятая высоко над головой штангиста, обладает механической энергией благодаря своему вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации). Натянутый лук обладает механической энергией из-за своего растянутого положения (упругая потенциальная энергия).

Механическая энергия как способность выполнять работу

Объект, обладающий механической энергией, способен совершать работу. Фактически, механическая энергия часто определяется как способность выполнять работу. Любой объект, обладающий механической энергией — будь то в форме потенциальной или кинетической энергии — способен выполнять работу. То есть его механическая энергия позволяет этому объекту приложить силу к другому объекту, чтобы вызвать его смещение.

Можно привести множество примеров того, как объект с механической энергией может использовать эту энергию, чтобы приложить силу, чтобы вызвать смещение другого объекта. Классический пример — это огромный шар, разрушающий машину для сноса строений. Крушащий шар — это массивный объект, который отклоняется назад в высокое положение и позволяет качаться вперед в строительную конструкцию или другой объект, чтобы разрушить его. При попадании в конструкцию разрушающий шар прикладывает к нему силу, чтобы вызвать смещение стены конструкции.На приведенной ниже диаграмме показан процесс, с помощью которого механическая энергия разрушающего шара может быть использована для выполнения работы.

Молоток — это инструмент, использующий механическую энергию для выполнения работы. Механическая энергия молотка дает ему возможность приложить силу к гвоздю, чтобы вызвать его смещение. Поскольку молоток обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он способен воздействовать на гвоздь. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Другой пример, показывающий, как механическая энергия — это способность объекта выполнять работу, можно увидеть в любой вечер в вашем местном боулинг-клубе. Механическая энергия шара для боулинга дает ему возможность приложить силу к кегле, чтобы заставить его сместиться. Поскольку массивный шар обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он может работать со штифтом. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Дротик — еще один пример того, как механическая энергия одного объекта может воздействовать на другой объект.Когда дротик заряжен и пружины сжаты, он обладает механической энергией. Механическая энергия сжатых пружин дает им возможность прикладывать силу к дротику, чтобы вызвать его смещение. Поскольку пружины обладают механической энергией (в виде упругой потенциальной энергии), они способны работать над дротиком. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Обычная сцена в некоторых частях сельской местности — это «ветряная электростанция».«Высокоскоростной ветер используется для работы с лопастями турбины на так называемой ветряной электростанции. Механическая энергия движущегося воздуха дает частицам воздуха возможность прикладывать силу и вызывать смещение лопастей. лопасти вращаются, их энергия впоследствии преобразуется в электрическую энергию (немеханическую форму энергии) и подается в дома и промышленные предприятия для работы электроприборов. Поскольку движущийся ветер обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он может работать с лезвиями.Еще раз, механическая энергия — это способность совершать работу.

Общая механическая энергия

Как уже упоминалось, механическая энергия объекта может быть результатом его движения (т. Е. Кинетической энергией) и / или результатом накопленной им энергии положения (т. Е. Потенциальной энергии). Общее количество механической энергии — это просто сумма потенциальной энергии и кинетической энергии. Эта сумма просто называется полной механической энергией (сокращенно TME).

TME = PE + KE

Как обсуждалось ранее, в нашем курсе обсуждаются две формы потенциальной энергии — гравитационная потенциальная энергия и упругая потенциальная энергия. Учитывая этот факт, приведенное выше уравнение можно переписать:

TME = PE грав + PE пружина + KE

На приведенной ниже диаграмме изображено движение Ли Бена Фардеста (уважаемого американского прыгуна с трамплина), когда он спускается с холма и делает один из своих рекордных прыжков.

Полная механическая энергия Ли Бена Фардеста представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергии. Сумма двух форм энергии составляет 50 000 Джоулей. Также обратите внимание, что общая механическая энергия Ли Бена Фардеста является постоянной величиной на протяжении всего его движения. Существуют условия, при которых общая механическая энергия будет постоянной величиной, и условия, при которых она будет изменяться. Это тема Урока 2 — отношения работы и энергии.На данный момент просто помните, что полная механическая энергия — это энергия, которой обладает объект из-за его движения или его накопленной энергии положения . Общее количество механической энергии — это просто сумма этих двух форм энергии. И, наконец, объект с механической энергией может работать с другим объектом.

Преобразование энергии внутри автомобилей

Преобразование энергии или преобразование энергии — это процесс изменения одной формы энергии на другую, энергия вызывает определенные изменения в системе. Изменения в общей энергии систем могут быть выполнены только путем добавления или удаления энергии из них как энергия — это величина, которая сохраняется (неизменна).

Преобразование энергии в автомобилях

Энергия во многих ее формах может использоваться в естественных процессах. Она предоставляет некоторые услуги обществу, такие как отопление, охлаждение и свет, она выполняет механическую работу по управлению машинами.

Двигатель внутреннего сгорания в автомобиле преобразует потенциальную химическую энергию бензина и кислорода в тепловую энергию, которая преобразуется в механическую энергию, ускоряющую автомобиль (увеличивая его кинетическую энергию), создавая давление и выполняя работу с поршнями.

В двигателе автомобиля имеется полезная передача энергии. Вы можете видеть, что двигатель автомобиля передает химическую энергию, которая хранится в топливе, в кинетическую энергию расширяющегося газа посредством сгорания в двигателе и колесах.

Преобразование энергии внутри автомобиля

Тепловая энергия превращается в механическую энергию, которая приводит в движение автомобиль, а химическая энергия, хранящаяся в топливе, изменяется, превращаясь в тепловую (тепловую) энергию в двигателе автомобиля.

Кинетическая энергия расширяющегося газа преобразуется в линейное движение поршня, которое преобразуется во вращательное движение коленчатого вала. Вращательное движение коленчатого вала передается в блок трансмиссии.

Вращательное движение передается через дифференциал, затем вращательное движение передается из дифференциала на ведущие колеса, затем вращательное движение ведущих колес преобразуется в линейное движение транспортного средства.

Автомобили полезны в нашей жизни, и вы знаете, что механическая энергия (кинетическая энергия) превращается в электрическую энергию в автомобильном динамо-машине, а часть электрической энергии превращается в световую энергию в автомобильных лампах.

A Часть электрической энергии превращается в звуковую энергию в кассете автомобильного радиоприемника, а часть электрической энергии превращается в тепловую энергию в электронагревателе автомобильного кондиционера.

Когда аккумулятор используется для запуска автомобиля, энергия преобразуется из электрической в ​​механическую энергию для движения автомобиля. Химическая энергия в виде бензина преобразуется в механическую энергию, и каждое преобразование приводит к выделению тепла. .

Вы можете почувствовать, что шины нагреваются от трения после долгой поездки, капот автомобиля нагревается от теплового излучения двигателя и происходит преобразование химической энергии в электрическую энергию в механическую. завести машину.

Автомобиль имеет много энергии, которая накапливается в его батарее при движении. Она преобразует часть этой накопленной электрической энергии в кинетическую энергию. Она полностью внутренняя в автомобиле. Энергия не передается через автомобиль или границу дороги. .

Вы не можете сохранить импульс в батарее. Любой импульс на борту обязательно проявится как движение центра масс системы. Таким образом, любое изменение импульса системы просто должно быть связано с передачей через граница системы.

Фрикционное взаимодействие между шинами и дорогой передает передний импульс автомобильным шинам и, конечно же, соответствующий обратный импульс дороге.

Летающие машины будущего: преимущества, недостатки, конструкция, типы и разработки

Роботизированные автомобили (Self Driving cars) преимущества и недостатки

Значение тепла (тепловой энергии)

Преобразование энергии в автомобиле, простой электрический элемент, электрическая лампа, положительные и отрицательные эффекты технологии

Энергетические ресурсы и формы, потенциальная энергия, кинетическая энергия и механическая энергия

Потенциальная энергия, кинетическая энергия и закон сохранения механической энергии

Закон сохранения механической энергии в повседневной жизни

22 примера механической энергии, которую мы видим повсюду

Энергия требуется для выполнения любой работы.Полная механическая энергия системы — это сумма кинетической энергии системы и ее потенциальной энергии. Ниже приведены 22 примера механической энергии.

Закон сохранения энергии

Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Его можно только преобразовать из одной формы в другую. Таким образом, общее количество энергии во Вселенной остается постоянным.

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Для работы требуется тот или иной вид энергии. Эта энергия может быть обусловлена ​​положением системы или объекта и известна как потенциальная энергия . Тогда как кинетическая энергия — это энергия, которой обладает система или тело благодаря своему относительному движению. Полная энергия системы — это сумма ее потенциальной и кинетической энергии, которая известна как механическая энергия системы.

планет, вращающихся на вокруг Солнца, атомов, вращающихся на вокруг ядра, футбольный мяч , который движется, или даже плавающая рыба — вот некоторые из примеров систем, обладающих механической энергией.

Для работы можно использовать механическую энергию. В этой статье приводится объяснение нескольких примеров того, как механическая энергия может быть преобразована в другие формы энергии, а также как другие формы энергии преобразуются в механическую энергию для выполнения работы.

Примеры механической энергии

Мяч на столе

Когда мяч кладется на стол, он неподвижен. Он будет обладать потенциальной энергией из-за высоты мяча от земли. Теперь, если мяч упадет со стола, потенциальная энергия начнет преобразовываться в кинетическую энергию. Их сумма, однако, останется постоянной, и это будет полная механическая энергия системы.Непосредственно перед тем, как мяч коснется пола ниже, полная потенциальная энергия системы снизится до нуля, и у нее будет только кинетическая энергия.

Гидроэлектростанция

Гидроэлектростанция — пример преобразования механической энергии в электрическую. Механическая энергия воды, падающей с водопада, используется для вращения турбин, находящихся на дне водопада.Вращение этих турбин используется для выработки электроэнергии.

Паровоз

Паровые машины работают на паре, который является тепловой энергией. Эта тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, которая используется для работы локомотивов. Это пример преобразования тепловой энергии в механическую.

Двигатель внутреннего сгорания

В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия преобразуется в механическую.Это преобразование достигается за счет сжигания топлива. Затем механическая энергия используется для приведения автомобиля в движение.

Ветряные мельницы

Ветряные мельницы используются для выработки электроэнергии. Кинетическая энергия ветра заставляет лопасти вращаться. Ветряные мельницы преобразуют кинетическую энергию ветра в электрическую.

Дротик

Хотите написать для нас? Что ж, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Пистолет для дротиков может накапливать механическую энергию в форме упругой энергии. Пистолет для дротиков имеет пружину, которая может накапливать упругую энергию, когда она находится в сжатом положении. Эта энергия, когда пружина расслабляется, заставляет дротик двигаться. Таким образом, упругая энергия пружины преобразуется в кинетическую энергию движущегося дротика.

Удар пулей

Движущаяся пуля обладает кинетической энергией.Часть этой кинетической энергии преобразуется в тепловую, и по этой причине цели становятся горячими при попадании в них пули.

Игра в бильярд

При игре в пул механическая энергия клюшки передается на шар для пула. Это заставляет шар для пула перемещаться и преодолевать некоторое расстояние, прежде чем остановиться.

Электродвигатель

Электродвигатель используется для преобразования электрической энергии в пригодную для использования форму механической энергии.Этот процесс прямо противоположен процессу генератора. Такой мотор используется в вентиляторах.

Электродвигатели

Электрическая энергия используется в двигателях, где она преобразуется в механическую энергию. Эта механическая энергия представляет собой кинетическую энергию движущегося локомотива или транспортного средства.

Некоторые другие примеры сохранения механической энергии:

■ Стрела, выпущенная из лука

■ Сброс воды из плотины

■ Освобождение пружины после ее сжатия

■ Освобождение растянутой резинки

■ Удар шаром о кегли

■ Качающийся маятник

■ Сползающий или катящийся объект останавливается

В примерах, где механическая энергия сохраняется, она сохраняется в форме потенциальной энергии.Бывают также случаи, когда тело имеет оба типа энергии одновременно. Подобно спутнику , который вращается вокруг Земли, будет обладать потенциальной энергией из-за своего положения от поверхности Земли, а также кинетической энергией из-за его относительного движения относительно планеты.

Преобразование энергии | технология | Britannica

Энергия обычно и наиболее просто определяется как эквивалент или способность выполнять работу.Само слово происходит от греческого energeia: en , «в»; ergon , «рабочий». Энергия может быть связана с материальным телом, как в спиральной пружине или движущемся объекте, или она может быть независимой от материи, как свет и другое электромагнитное излучение, пересекающее вакуум. Энергия в системе может быть доступна для использования только частично. Измерения энергии — это измерения работы, которые в классической механике формально определяются как произведение массы ( м ) и квадрата отношения длины ( l ) ко времени ( t ): мл 2 / т 2 .Это означает, что чем больше масса или расстояние, на которое он перемещается, или чем меньше времени требуется для перемещения массы, тем больше будет проделанная работа или больше затраченной энергии.

Развитие концепции энергии

Термин энергия не применялся как мера способности выполнять работу до довольно позднего периода развития науки механики. Действительно, развитие классической механики может осуществляться без обращения к концепции энергии.Однако идея энергии восходит к Галилею 17 века. Он признал, что когда груз поднимается с помощью системы шкивов, прилагаемая сила, умноженная на расстояние, через которое эта сила должна быть приложена (произведение, по определению называемое работой), остается постоянной, даже если любой из этих факторов может меняться. Концепция vis viva, или живой силы, величины, прямо пропорциональной произведению массы и квадрата скорости, была введена в 17 веке. В 19 веке термин «энергия» применялся к концепции vis viva.

Первый закон движения Исаака Ньютона признает, что сила связана с ускорением массы. Почти неизбежно, что тогда интерес представляет интегральный эффект силы, действующей на массу. Конечно, есть два вида интеграла силы, действующей на массу, которые можно определить. Один — это интеграл силы, действующей вдоль линии действия силы, или пространственный интеграл силы; другой — интеграл силы за время ее действия на массу или временной интеграл.

Оценка пространственного интеграла приводит к величине, которая теперь используется для представления изменения кинетической энергии массы в результате действия силы и составляет лишь половину от vis viva. С другой стороны, временное интегрирование приводит к оценке изменения количества движения массы в результате действия силы. Некоторое время велись споры о том, какая интеграция привела к надлежащей мере силы, немецкий философ-ученый Готфрид Вильгельм Лейбниц приводил доводы в пользу пространственного интеграла как единственной истинной меры, в то время как ранее французский философ и математик Рене Декарт защищал временную шкалу. интеграл.В конце концов, в XVIII веке физик Жан Д’Аламбер из Франции показал законность обоих подходов к измерению силы, действующей на массу, и что полемика велась только по номенклатуре.

Таким образом, сила связана с ускорением массы; кинетическая энергия или энергия, возникающая в результате движения, является результатом пространственной интеграции силы, действующей на массу; импульс — это результат интегрирования во времени силы, действующей на массу; а энергия — это мера способности выполнять работу.Можно добавить, что мощность определяется как скорость передачи энергии (к массе, когда на нее действует сила, или по линиям передачи от электрического генератора к потребителю).

Сохранение энергии (см. Ниже) было независимо признано многими учеными в первой половине XIX века. Сохранение энергии как кинетической, потенциальной и упругой энергии в замкнутой системе в предположении отсутствия трения оказалось действенным и полезным инструментом.Кроме того, при более внимательном рассмотрении обнаруживается, что трение, которое служит ограничением для классической механики, выражается в выделении тепла, будь то на контактных поверхностях блока, скользящего по плоскости, или в объеме жидкости, в которой весло вращается или любое другое выражение «трения». Тепло было определено как форма энергии Германом фон Гельмгольцем из Германии и Джеймсом Прескоттом Джоулем из Англии в 1840-х годах. Джоуль также экспериментально доказал связь между механической и тепловой энергией в это время.Поскольку возникла необходимость в более подробном описании различных процессов в природе, подход заключался в поиске рациональных теорий или моделей процессов, которые позволяют количественно измерить изменение энергии в процессе, а затем включить его и соответствующий ему энергетический баланс в систему. представляет интерес, при условии общей потребности в сохранении энергии. Этот подход работал для химической энергии в молекулах топлива и окислителя, высвобождающейся при их сгорании в двигателе, для производства тепловой энергии, которая впоследствии преобразуется в механическую энергию для работы машины; он также работал над преобразованием ядерной массы в энергию в процессах ядерного синтеза и ядерного деления.

9.2 Механическая энергия и сохранение энергии — Физика

Задачи обучения раздела

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

  • Объясните закон сохранения энергии в терминах кинетической и потенциальной энергии
  • Выполните вычисления, связанные с кинетической и потенциальной энергией. Применяем закон сохранения энергии

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

  • (6) Научные концепции.Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
    • (B) исследовать примеры кинетической и потенциальной энергии и их преобразований;
    • (D) демонстрируют и применяют законы сохранения энергии и сохранения количества движения в одном измерении.

Кроме того, Руководство лаборатории по физике для старших классов рассматривает содержание этого раздела лаборатории под названием «Работа и энергия», а также следующие стандарты:

  • (6) Научные концепции.Учащийся знает, что в физической системе происходят изменения, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
    • (В)
      исследовать примеры кинетической и потенциальной энергии и их превращений;
    • (D)
      продемонстрировать и применить законы сохранения энергии и сохранения количества движения в одном измерении.

Раздел Основные термины

закон сохранения энергии

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] Начните с выделения механической энергии из других форм энергии.Объясните, почему общее определение энергии как способности выполнять работу имеет смысл с точки зрения любой из форм механической энергии. Обсудите закон сохранения энергии и развейте любые заблуждения, связанные с этим законом, такова идея о том, что движущиеся объекты просто естественным образом замедляются. Определите тепло, выделяемое трением, как обычное объяснение явных нарушений закона.

[AL] Начните обсуждение о том, как другие полезные формы энергии также превращаются в потраченное впустую тепло, например свет, звук и электричество.Постарайтесь научить студентов понимать тепло и температуру на молекулярном уровне. Объясните, что энергия, теряемая на трение, действительно преобразует кинетическую энергию на макроскопическом уровне в кинетическую энергию на атомном уровне.

Механическая энергия и сохранение энергии

Ранее мы видели, что механическая энергия может быть потенциальной или кинетической. В этом разделе мы увидим, как энергия трансформируется из одной из этих форм в другую. Мы также увидим, что в замкнутой системе сумма этих форм энергии остается постоянной.

Немного потенциальной энергии получает автомобиль с американскими горками и его пассажиры, когда они поднимаются на вершину первого холма. Помните, что часть термина с потенциалом означает, что энергия была сохранена и может быть использована в другое время. Вы увидите, что эту накопленную энергию можно использовать для работы или преобразовать в кинетическую энергию. Например, когда объект, обладающий гравитационной потенциальной энергией, падает, его энергия преобразуется в кинетическую энергию.Помните, что и работа, и энергия выражаются в джоулях.

Вернитесь к рисунку 9.3. Объем работы, необходимой для поднятия телевизора из точки A в точку B, равен количеству потенциальной энергии гравитации, которую телевизор получает от его высоты над землей. Обычно это верно для любого объекта, поднятого над землей. Если вся работа, выполняемая над объектом, используется для поднятия объекта над землей, объем работы равен приросту объекта в потенциальной энергии гравитации. Однако обратите внимание, что из-за работы, выполняемой трением, эти преобразования энергия-работа никогда не бывают идеальными.Трение вызывает потерю некоторой полезной энергии. В следующих обсуждениях мы будем использовать приближение, согласно которому преобразования происходят без трения.

Теперь давайте посмотрим на американские горки на рис. 9.6. Была проделана работа на американских горках, чтобы добраться до вершины первого подъема; в этот момент американские горки обладают гравитационной потенциальной энергией. Он движется медленно, поэтому обладает небольшой кинетической энергией. Когда автомобиль спускается по первому склону, его PE преобразуется в KE .В нижней точке большая часть оригинального PE была преобразована в KE , а скорость максимальна. По мере того, как автомобиль движется вверх по следующему склону, часть KE превращается обратно в PE , и автомобиль замедляется.

Рис. 9.6 Во время этой поездки на американских горках происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[OL] [AL] Спросите, имеют ли смысл определения энергии для класса, и постарайтесь выявить любые выражения недоумения или неправильных представлений.Помогите им совершить логический скачок: если энергия — это способность выполнять работу, логично, что она выражается в одной и той же единице измерения. Попросите учащихся назвать все возможные формы энергии. Спросите, помогает ли это им понять природу энергии. Спросите, есть ли у них проблемы с пониманием того, как могут работать некоторые формы энергии, например солнечный свет.

[BL] [OL] Вы можете ввести понятие контрольной точки как начальной точки движения. Свяжите это с началом координатной сетки.

[BL] Дайте понять, что энергия — это другое свойство с разными единицами, нежели сила или мощность.

[OL] Помогите учащимся понять, что скорость, с которой доставляется телевизор, не входит в расчет PE . Предполагается, что скорость постоянна. Любой KE из-за увеличения скорости доставки будет потерян при остановке движения.

[BL] Убедитесь, что есть четкое понимание различия между кинетической и потенциальной энергией, а также между скоростью и ускорением.Объясните, что слово потенциал означает, что энергия доступна, но это не означает, что имеет для использования или будет использоваться .

Virtual Physics

Energy Skate Park Basics

Это моделирование показывает, как кинетическая и потенциальная энергия связаны между собой в сценарии, аналогичном американским горкам. Наблюдайте за изменениями в KE и PE , щелкая по полям гистограммы. Также попробуйте три скейт-парка разной формы.Перетащите фигуриста на дорожку, чтобы запустить анимацию.

Проверка захвата

Это моделирование (http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park-basics) показывает, как связаны кинетическая и потенциальная энергии, в сценарии, аналогичном американским горкам. Наблюдайте за изменениями в KE и PE, нажимая на поля гистограммы. Также попробуйте три скейт-парка разной формы. Перетащите фигуриста на дорожку, чтобы запустить анимацию.

Гистограммы показывают, как KE и PE преобразуются взад и вперед.Какое утверждение лучше всего объясняет, что происходит с механической энергией системы при увеличении скорости?

  1. Механическая энергия системы увеличивается при условии отсутствия потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в кинетическую при увеличении скорости.
  2. Механическая энергия системы остается постоянной при условии отсутствия потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в кинетическую при увеличении скорости.
  3. Механическая энергия системы увеличивается при отсутствии потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в потенциальную при увеличении скорости.
  4. Механическая энергия системы остается постоянной при условии отсутствия потерь энергии из-за трения. Энергия преобразуется в потенциальную при увеличении скорости.
Поддержка учителей
Поддержка учителей

На этой анимации показаны преобразования между KE и PE , а также изменение скорости в процессе.Позже мы можем вернуться к анимации, чтобы увидеть, как трение преобразует часть механической энергии в тепло и как сохраняется общая энергия.

На настоящих американских горках бывает много взлетов и падений, и каждый из них сопровождается переходами между кинетической и потенциальной энергией. Предположим, что на трение не теряется энергия. В любой момент поездки общая механическая энергия одинакова и равна энергии, которую автомобиль имел на вершине первого подъема. Это результат закона сохранения энергии, который гласит, что в замкнутой системе сохраняется полная энергия, то есть она постоянна.Используя индексы 1 и 2 для обозначения начальной и конечной энергии, этот закон выражается как

KE1 + PE1 = KE2 + PE2.KE1 + PE1 = KE2 + PE2.

Каждая сторона равна общей механической энергии. Фраза в закрытой системе означает, что мы предполагаем, что энергия не теряется в окружающую среду из-за трения и сопротивления воздуха. Если мы проводим расчеты для плотных падающих объектов, это хорошее предположение. Для американских горок это предположение вносит некоторую неточность в расчет.

Расчеты с использованием механической энергии и сохранения энергии

Советы для успеха

При вычислении работы или энергии используйте метры для расстояния, ньютоны для силы, килограммы для массы и секунды для времени. Это гарантирует, что результат будет выражен в джоулях.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Поразите учеников значительным объемом работы, необходимой для того, чтобы привести автомобиль-американские горки к вершине первой, самой высокой точки.Сравните это с объемом работы, который потребуется, чтобы подняться на вершину американских горок. Спросите учащихся, почему они могут чувствовать усталость, если им пришлось идти или взбираться на вершину американских горок (они должны использовать энергию, чтобы приложить силу, необходимую для перемещения их тел вверх против силы тяжести). Убедитесь, что учащиеся могут правильно предсказать, что отношение массы автомобиля к массе человека будет соотношением проделанной работы и полученной энергии (например, если масса автомобиля в 10 раз больше массы человека, объем работы, необходимый для переместить машину на вершину холма будет в 10 раз больше работы, необходимой для подъема на холм).

Watch Physics

Сохранение энергии

В этом видео обсуждается преобразование PE в KE и сохранение энергии. Сценарий очень похож на американские горки и скейт-парк. Это также хорошее объяснение изменений энергии, изученных в лаборатории моментальных снимков.

Поддержка учителя
Поддержка учителя

Перед показом видео просмотрите все уравнения, касающиеся кинетической и потенциальной энергии и сохранения энергии.Также убедитесь, что учащиеся имеют качественное представление о происходящем преобразовании энергии. Вернитесь в лабораторию моментальных снимков и лабораторию моделирования.

Проверка захвата

Вы ожидали, что скорость внизу склона будет такой же, как при падении объекта прямо вниз? Какое утверждение лучше всего объясняет, почему это не совсем так в реальных жизненных ситуациях?

  1. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть большое трение.В реальной жизни большая часть механической энергии теряется в виде тепла из-за трения.
  2. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть небольшое трение. В реальной жизни большая часть механической энергии теряется в виде тепла из-за трения.
  3. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть большое трение.В реальной жизни механическая энергия не теряется из-за сохранения механической энергии.
  4. Скорость была такой же в сценарии в анимации, потому что объект скользил по льду, где есть небольшое трение. В реальной жизни механическая энергия не теряется из-за сохранения механической энергии.

Рабочий пример

Применение закона сохранения энергии

Камень весом 10 кг падает со скалы высотой 20 м.Какова кинетическая и потенциальная энергия при падении камня на 10 м?

Стратегия

Выберите уравнение.

KE1 + PE1 = KE2 + PE2KE1 + PE1 = KE2 + PE2

9,4

КЕ = 12мв2; PE = mghKE = 12мв2; PE = mgh

9,5

12mv12 + mgh2 = 12mv22 + mgh312mv12 + mgh2 = 12mv22 + mgh3

9,6

Перечислите известные.

м = 10 кг, v 1 = 0, г = 9.80

h 1 = 20 м, h 2 = 10 м

Определите неизвестные.

KE 2 и PE 2

Подставьте известные значения в уравнение и решите относительно неизвестных переменных.

Решение

PE2 = mgh3 = 10 (9,80) 10 = 980 JPE2 = mgh3 = 10 (9,80) 10 = 980 Дж

9,8

KE2 = PE2− (KE1 + PE1) = 980 — {[0− [10 (9.80) 20]]} = 980 JKE2 = PE2− (KE1 + PE1) = 980 — {[0− [10 (9.80) 20] ]} = 980 Дж

9,9

Обсуждение

В качестве альтернативы можно было бы решить уравнение сохранения энергии для v 2 и KE 2 .Обратите внимание, что м также могут быть исключены.

Советы для успеха

Обратите внимание, что мы можем решить многие проблемы, связанные с преобразованием между KE и PE , не зная массы рассматриваемого объекта. Это потому, что кинетическая и потенциальная энергия пропорциональны массе объекта. В ситуации, когда KE = PE , мы знаем, что m g h = (1/2) m v 2 .

Разделив обе стороны на м и переставив, получим соотношение

2 g h = v 2 .

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Кинетическая и потенциальная энергия пропорциональны массе объекта. В ситуации, когда KE = PE , мы знаем, что m g h = (1/2) m v 2 .Разделив обе стороны на м и переставив, получим соотношение 2 g h = v 2 .

Практические задачи

5.

Ребенок скатывается с детской горки. Если высота горки 3 м, а вес ребенка 300 Н, сколько потенциальной энергии находится у ребенка в верхней части горки? (Круглый г до 10 м / с 2,10 м / с2.)

  1. 0 Дж
  2. 100 Дж
  3. 300 Дж
  4. 900 Дж

6.

Яблоко на яблони весом 0,2 кг имеет потенциальную энергию 10 Дж. Оно падает на землю, превращая весь свой PE в кинетическую энергию. Какова скорость яблока перед тем, как оно упадет на землю?

  1. 0 м / с
  2. 2 м / с
  3. 10 м / с
  4. 50 м / с

Snap Lab

Преобразование потенциальной энергии в кинетическую

В этом упражнении вы рассчитаете потенциальную энергию объекта и спрогнозируете скорость объекта, когда вся эта потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию.Затем вы проверите свой прогноз.

Вы будете сбрасывать предметы с высоты. Обязательно держитесь на безопасном расстоянии от края. Не наклоняйтесь слишком далеко через перила. Убедитесь, что вы не роняете предметы в место, где проезжают люди или автомобили. Убедитесь, что падающие предметы не вызовут повреждений.

Вам понадобится:

Материалы для каждой пары учеников:

  • Четыре шарика (или аналогичные маленькие, плотные предметы)
  • Секундомер

Материалы для класса:

  • Метрическая рулетка достаточной длины для измерения выбранной высоты
  • Шкала

Инструкции

Порядок действий

  1. Работа с партнером.Найдите и запишите массу четырех маленьких плотных объектов в каждой группе.
  2. Выберите место, где предметы можно будет безопасно сбросить с высоты не менее 15 метров. Хорошо подойдет мост через воду с безопасной пешеходной дорожкой.
  3. Измерьте расстояние, на которое объект упадет.
  4. Рассчитайте потенциальную энергию объекта перед тем, как его уронить, используя PE = м g h = (9.80) mh.
  5. Предскажите кинетическую энергию и скорость объекта, когда он приземлится, используя PE = KE и, следовательно, mgh = mv22; v = 2 (9.80) h = 4.43h.mgh = mv22; v = 2 (9.80) h = 4.43h.
  6. Один партнер роняет предмет, а другой измеряет время, необходимое для его падения.
  7. По очереди будьте капельницей и таймером, пока не сделаете четыре измерения.
  8. Усредните ваше падение, умноженное на, и рассчитайте скорость объекта, когда он приземлился, используя v = a t = g t = (9.80) t .
  9. Сравните ваши результаты с вашим прогнозом.
Поддержка учителя
Поддержка учителя

Перед тем, как учащиеся приступят к лабораторной работе, найдите ближайшее место, где предметы можно безопасно уронить с высоты не менее 15 м.

По мере того, как учащиеся работают в лаборатории, предложите партнерам по лаборатории обсудить свои наблюдения. Поощряйте их обсуждать различия в результатах между партнерами. Спросите, есть ли какая-то путаница в используемых ими уравнениях и кажутся ли они верными на основании того, что они уже узнали о механической энергии.Попросите их обсудить эффект сопротивления воздуха и то, как плотность связана с этим эффектом.

Проверка захвата

Эксперименты Галилея доказали, что, вопреки распространенному мнению, тяжелые предметы не падают быстрее легких. Как уравнения, которые вы использовали, подтверждают этот факт?

  1. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии системы член массы аннулируется, и скорость не зависит от массы.В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за ненулевого сопротивления воздуха.
  2. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии системы массовый член не отменяется, а скорость зависит от массы. В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за ненулевого сопротивления воздуха.
  3. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии в системе массовый член аннулируется, и скорость не зависит от массы.В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за нулевого сопротивления воздуха.
  4. Тяжелые объекты не падают быстрее легких, потому что при сохранении механической энергии системы массовый член не отменяется, а скорость зависит от массы. В реальной жизни изменение скорости различных объектов наблюдается из-за нулевого сопротивления воздуха.

Проверьте свое понимание

7.

Опишите преобразование между формами механической энергии, которое происходит с падающим парашютистом перед раскрытием его парашюта.

  1. Кинетическая энергия преобразуется в потенциальную.
  2. Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию.
  3. Работа превращается в кинетическую энергию.
  4. Кинетическая энергия превращается в работу.

8.

Верно или неверно — если камень подбросить в воздух, увеличение высоты увеличит кинетическую энергию камня, а затем увеличение скорости при падении на землю увеличит его потенциальную энергию.

  1. Истинно
  2. Ложь

9.

Определите эквивалентные термины для накопленной энергии и энергии движения .

  1. Накопленная энергия — это потенциальная энергия, а энергия движения — это кинетическая энергия.
  2. Энергия движения — это потенциальная энергия, а запасенная энергия — это кинетическая энергия.
  3. Накопленная энергия — это потенциальная, а также кинетическая энергия системы.
  4. Энергия движения — это потенциальная, а также кинетическая энергия системы.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся не справляются с какой-либо конкретной целью, «Проверьте свое понимание» поможет определить, какая из них, и направит учащихся к соответствующему содержанию.

Типы энергии и превращения энергии

Что такое энергия?

Мимо проезжает машина. Включается свет. Звук из динамиков отфильтровывается. Все это формы энергии-движения, света и звука. Энергия — это способность делать вещи реальностью. Каждое действие в той или иной форме связано с энергией. Объекты могут иметь энергию из-за их движения или своего положения.

Ученые измеряют энергию в джоулях (Дж). Человеку требуется около одного джоуля, чтобы поднять яблоко на один метр над землей.Употребление яблока дает человеческому телу около 250 000 Дж. Каждый вид энергии, включая движение, накопленную энергию, тепло и свет, можно измерить в джоулях.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия — это энергия движения объекта или частицы. Количество кинетической энергии зависит от двух вещей: массы объекта и скорости его движения. Количество кинетической энергии (KE) в джоулях, которое имеет объект, определяется уравнением, здесь m равно массе объекта в килограммах, а v равна его скорости в метрах в секунду.Энергия может быть выражена в джоулях, где 1 джоуль равен 1 (кг • м 2 ) / 2 .

Если два объекта имеют равную массу, объект, который движется быстрее, имеет большую кинетическую энергию. На диаграмме вверху следующей страницы показаны расчеты кинетической энергии для трех автомобилей. Обратите внимание, что Car Band Car C имеет равную массу, но Car C имеет больше кинетической энергии, чем Car B, потому что он движется быстрее. Если два объекта движутся с одинаковой скоростью, объект с большей массой имеет большую кинетическую энергию, чем объект с меньшей массой.Как показано на схеме, грузовик A и автомобиль B движутся с одинаковой скоростью. Однако у грузовика A больше кинетической энергии, чем у автомобиля B, потому что грузовик A имеет большую массу. Обратите внимание, что изменение скорости влияет на энергию больше, чем изменение массы. Если автомобиль увеличивает скорость вдвое, его кинетическая энергия увеличивается в четыре раза. Грузовик, масса которого в четыре раза превышает массу автомобиля, имеет в четыре раза больше энергии, чем автомобиль, если он движется с одинаковой скоростью.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это энергия, которую объект имеет благодаря своему положению.Потенциальная энергия не связана с движением, она зависит от взаимодействия между двумя объектами и задействованных сил. Это считается накопленной энергией.

Рассмотрим книгу на столе. Вместе книга и Земля обладают потенциальной энергией. Гравитационная потенциальная энергия — это энергия, возникающая в результате гравитационных сил между двумя объектами. Поднятие объекта над землей увеличивает потенциальную энергию гравитации, потому что объект работает против силы тяжести.Гравитация — это сила, которая описывается как поле, что означает, что в космосе есть область, которая имеет эту силу в каждой точке.

Гравитационная потенциальная энергия (GPE) связана с массой и высотой объекта, а также с ускорением, вызванным гравитационным полем. Это можно выразить как GPE = mgh, где m — масса объекта в килограммах, g — ускорение свободного падения в метрах в секунду в квадрате (9,80 м / с 2 у поверхности Земли), а его высота равна объект поднят в метрах.

Если вы поднимете книгу весом 2,00 кг на полку на высоте 1,20 м над полом, как изменится потенциальная энергия в джоулях? Гравитационное поле книги не учитывается, потому что поле объекта влияет только на другие объекты.

Гравитационная потенциальная энергия увеличится на 23,5 Дж.

На потенциальную энергию также могут влиять другие силы поля между объектами. Например, магнитное поле воздействует на скрепку с силой, которая притягивает скрепку к магниту.Силы поля вокруг заряженных частиц называются электрическими полями. Когда заряженная частица или объект перемещается на расстояние против силы этого поля, их электрический потенциал увеличивается.

Думай о науке

Как добраться: ответьте на следующие вопросы.

  1. Лист падает с дерева на землю. В какой момент гравитационная потенциальная энергия наибольшая?
    A. пока лист еще прикреплен к ветке
    Б. после того, как лист упал с небольшого расстояния
    С.когда лист находится примерно на полпути к земле
    D. когда лист падает на землю

Типы энергии

Вы постоянно используете энергию в повседневной деятельности. Когда вы включаете свет или разогреваете пищу в микроволновой печи, вы знаете, что используете какой-то тип энергии. В других случаях ваше взаимодействие с энергией менее очевидно. Когда вы спите, ваше тело использует энергию для поддержания внутренней температуры, дыхания, переваривания пищи и восстановления поврежденных клеток. Есть много видов энергии, которые постоянно работают и вызывают изменения вокруг вас.

Механическая энергия

Механическая энергия объекта — это сумма его кинетической энергии и его потенциальной энергии. Как показано ниже, когда американские горки находятся на вершине холма, вся их энергия сохраняется в виде потенциальной энергии гравитации. Когда автомобили едут с холма, их кинетическая энергия увеличивается, а потенциальная энергия гравитации уменьшается на такую ​​же величину. Не считая трения, механическая энергия остается неизменной на протяжении всей поездки, когда автомобили движутся вверх и вниз по склонам американских горок.

Если вы бросите мяч в воздух, кинетическая энергия его восходящего движения будет уменьшаться по мере увеличения потенциальной энергии гравитации. Когда мяч достигает максимальной высоты, кинетическая энергия отсутствует. Когда мяч падает обратно на землю, кинетическая энергия снова увеличивается, а потенциальная энергия гравитации уменьшается на такую ​​же величину. В целом общее количество механической энергии не меняется при перемещении мяча из одного положения в другое.

Тепловая энергия

Хотя это может быть неочевидно, каждая часть материи вокруг вас полна энергии.Атомы и молекулы, составляющие материю, всегда взаимодействуют. Частицы жидкости или газа текут с места на место, и даже молекулы твердого тела постоянно колеблются. Тепловая энергия — это сумма кинетической энергии и потенциальной энергии частиц, составляющих материю.

Тепловая энергия может быть обнаружена, когда она перетекает от одного объекта к другому в виде тепла. Частицы, движущиеся быстрее, обладают большей кинетической энергией, чем частицы, движущиеся медленнее. Когда частицы сталкиваются, энергия передается от более быстрых частиц к более медленным.Когда вы касаетесь горячей сковороды, часть энергии быстро колеблющихся атомов металла передается вашей руке, в которой атомы движутся медленнее. Ветер возникает, когда тепло передается из областей атмосферы с большей тепловой энергией в другие регионы с меньшей тепловой энергией.

Химическая энергия

Когда чиркают спичкой, она излучает световую, звуковую и тепловую энергию. Вся эта энергия была сохранена в спичке в виде химической энергии. Химическая энергия — это потенциальная энергия, хранящаяся в связях между атомами вещества.Источниками этой накопленной энергии являются электромагнитные силовые поля заряженных частиц, из которых состоят атомы. Взаимодействие между этими полями дает энергию, которая может высвобождаться во время химической реакции.

Химическая энергия является источником большей части энергии, необходимой человеку для функционирования. Растения накапливают химическую энергию в углеводах, образующихся во время фотосинтеза. Люди выделяют эту химическую энергию во время пищеварения и используют ее для питания систем внутри тела.

Ядерная энергия

Ядра атомов содержат огромное количество потенциальной энергии.Энергия, хранящаяся в ядре атома, называется ядерной энергией. Ядерная энергия удерживает частицы ядра вместе. Он может высвобождаться при объединении ядер, что происходит в реакциях на Солнце. Ядерная энергия также может высвобождаться при расщеплении ядер, что происходит в ядерных реакторах на Земле. Один килограмм урана, используемый в качестве топлива на атомной электростанции, производит такое же количество энергии, как 14 000 килограммов угля, сжигаемого на угольной электростанции.

Сияющая энергия

Лучистая энергия излучается источником в виде волн.Эти волны переносят энергию от Солнца через космический вакуум на Землю. Лучистая энергия — это форма кинетической энергии. Помимо видимого света, лучистая энергия включает радиоволны, микроволны, инфракрасное излучение, ультрафиолетовое излучение, гамма-лучи и рентгеновские лучи.

Думай о науке

Направления: заполните пустые поля.

  1. Включение фонарика высвобождает [ blank ] энергии.
  2. Тепловая энергия — это сумма [ blank ] и потенциальной энергии частиц в объекте.
  3. Энергия, запасенная в ядре атома, составляет [ blank ] энергии.
  4. Химическая энергия — это тип потенциальной энергии, хранящейся в [ blank ].

Электроэнергия и магнитная энергия

Некоторые объекты могут воздействовать на другие объекты на расстоянии из-за силового поля, которое существует вокруг них. Силовое поле — это толчок или притяжение, оказываемое в области вокруг объекта, создающего его. Электрическая энергия и магнитная энергия являются результатом полей.Эти формы энергии связаны друг с другом.

Электроэнергетика

Возможно, вы испытали шок, пройдя по ковру и затем прикоснувшись к металлическому предмету, например, дверной ручке. Удар возникает в результате передачи электрического заряда. Есть два типа электрического заряда: положительный и отрицательный. Два одинаковых заряда отталкивают друг друга, а два разных заряда притягивают друг друга. Электроны — это отрицательно заряженные атомные частицы, которые естественным образом отталкиваются друг от друга за счет взаимодействия электрических полей, окружающих каждый электрон.Электрическая потенциальная энергия — это результат расположения заряженных частиц в электрических полях. Трение шаркающих ног по ковру приводит к трению электронов с ковра по ступням. Это накопление заряда генерирует электрическую потенциальную энергию. Потенциальная энергия становится кинетической, когда статический удар переносит заряды к положительным зарядам, расположенным на дверной ручке. Было бы разумно ожидать или ожидать статического разряда, когда вы шаркаете ногами по ковру.

Электроны в цепи обладают как кинетической, так и потенциальной энергией.Когда электроны проходят замкнутый путь или электрическую цепь, часть их кинетической и потенциальной энергии может быть изменена на другие формы энергии, такие как свет, тепловая энергия или звук. Электроэнергия приводит в действие многие приборы и машины дома и на работе.

Магнитная энергия

Магнит создает силу, которая может притягивать или отталкивать другие магниты и может притягивать некоторые другие вещества. Вы можете почувствовать это, подержав два магнита рядом друг с другом. В зависимости от того, как вы держите магниты, вы можете почувствовать, как они толкают или тянут друг друга.Это толчок или притяжение происходит из-за силы магнитного поля. Поле создается движущимися электронами, как в атомах. Магнитное поле действует в области, окружающей магнит, и оно наиболее сильное вблизи магнита. Магнитное поле простирается между двумя магнитными полюсами, которые являются областями, где магнитное поле, создаваемое магнитом, является самым сильным. Северный и южный полюса находятся на противоположных концах стержневого магнита.

Когда два магнита сближаются, их магнитные поля взаимодействуют друг с другом.Как показано здесь, северный полюс одного магнита будет отталкивать северный полюс другого магнита. Южные полюса тоже отталкивают друг друга. Однако северный полюс одного магнита и южный полюс другого магнита притягиваются друг к другу и держатся вместе.

Думай о науке

Как добраться: ответьте на следующий вопрос.

  1. Земля имеет магнитное поле, которое простирается от ее Северного и Южного магнитных полюсов. Когда компасу позволяют выровняться с магнитным полем Земли, конец, обозначенный буквой N, указывает на северный магнитный полюс.Основываясь на этом наблюдении, если бы Северный полюс Земли был обозначенным магнитом, должен ли он быть обозначен как N или как S?

Сохранение энергии

Люди часто говорят об энергии, как если бы она была израсходована или потеряна во время занятия. Однако энергия все еще существует, только в форме, которая может быть неочевидной. Закон сохранения энергии гласит, что энергия может быть изменена по форме, но не может быть создана или уничтожена.

Чтобы проследить путь энергии, меняющей форму, может потребоваться некоторая детективная работа.Например, для запуска забега требуется много энергии. После забега в теле бегуна остается меньше энергии, чем было раньше. Химическая энергия, используемая для питания мышц, была преобразована в кинетическую и тепловую энергию. Общее количество энергии во Вселенной после гонки такое же, как и до нее.

Преобразование энергии

Мы все время наблюдаем изменения энергии. Например, когда объект движется против силы тяжести, часть его кинетической энергии преобразуется в потенциальную.Электрическая цепь, которая включает в себя лампочку, преобразует электрическую энергию в лучистую и тепловую энергию. Преобразование одной формы энергии в другую называется преобразованием энергии.

Энергия может менять форму множеством разных способов. Преобразование энергии происходит постоянно в живых существах. Человеческое тело дает множество примеров преобразования энергии. Организм получает химическую потенциальную энергию в виде пищи. Пища превращается в другие химические вещества в пищеварительной системе.Сахар обеспечивает химическую энергию для функций организма, а жиры хранят потенциальную энергию для использования в будущем. Сердце и другие мышцы преобразуют химическую энергию в кинетическую при циркуляции крови и движении тела. Часть энергии тела преобразуется в звук. Тело выделяет тепловую энергию в виде тепла. Нервы используют электрическую энергию для связи внутри тела.

Растения преобразуют лучистую энергию в химическую энергию. Электрические угри преобразуют химическую энергию в электрическую.Бегущие олени преобразуют химическую энергию в кинетическую. В таблице приведены другие примеры преобразований энергии.

Начальная энергия Тип Конечная энергия Тип Пример
Химическая промышленность Электрооборудование Разряд аккумулятора
Химическая промышленность кинетическая Движение мышц
Химическая промышленность Сияющий и термический Сгорание
Электрооборудование кинетическая Электродвигатель
Электрооборудование Магнитный Электромагнит
Сияющий Электрооборудование Солнечный элемент
Сияющий Тепловой Поглощение солнечного света
Тепловая энергия Кинетическая энергия Паровая турбина
Думай о науке

Как добраться: ответьте на следующий вопрос.

  1. Какое преобразование энергии происходит в тостере?
    A. кинетическая энергия в электрическую энергию
    Б. электрическая энергия в тепловую энергию
    C. Магнитная энергия в электрическую энергию
    D. потенциальная энергия в кинетическую энергию

Дополнительные темы | Безграничная физика

Другие формы энергии

Тепловая, химическая, электрическая, радиантная, ядерная, магнитная, упругая, звуковая, механическая, светящаяся и массовая — это формы, в которых может существовать энергия.

Цели обучения

Сравните различные формы энергии, взаимосвязанные друг с другом

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Тепловая, химическая, электрическая, лучистая, ядерная, магнитная, упругая, звуковая, механическая, светящаяся и массовая — это формы, в которых может существовать энергия.
  • Энергия существует в виде кинетической энергии, потенциальной энергии или их комбинации.
  • Мы можем открыть новые формы энергии (например, «темную энергию») в будущем.
Ключевые термины
  • слияние : ядерная реакция, в которой ядра объединяются, чтобы сформировать более массивные ядра с сопутствующим высвобождением энергии.
  • электромагнитное излучение : излучение (квантованное как фотоны), состоящее из осциллирующих электрических и магнитных полей, ориентированных перпендикулярно друг другу, движущихся в пространстве
  • деление : процесс расщепления ядра атома на более мелкие частицы; ядерное деление.

Энергия может быть в разных формах. Эти формы включают:

Тепловая энергия: Это энергия, связанная с микроскопическим случайным движением частиц в рассматриваемой среде. Примером чего-то, что хранит тепловую энергию, является теплая вода для ванны.

Химическая энергия: Это энергия, обусловленная тем, как атомы расположены в молекулах и различных других совокупностях материи. Примером чего-то, что хранит химическую энергию, является еда. Когда ваше тело переваривает и усваивает пищу, оно использует свою химическую энергию.

Электрическая энергия: Это энергия, полученная из электрической потенциальной энергии в результате кулоновских сил. Электрическая потенциальная энергия связана со способом организации точечных зарядов в системе. Примером чего-то, что хранит электрическую энергию, является конденсатор. Конденсатор собирает положительный заряд на одной пластине и отрицательный заряд на другой пластине. Таким образом, энергия накапливается в результирующем электростатическом поле.

Радиантная энергия: Это любой вид электромагнитного излучения (см. Ключевой термин).Пример электромагнитной волны — свет.

Ядерная энергия: Этот тип энергии высвобождается во время ядерных реакций синтеза и деления. Примеры того, что использует ядерную энергию, включают атомные электростанции и ядерное оружие.

Магнитная энергия: Технически магнитная энергия — это электрическая энергия; они связаны уравнениями Максвелла. Примером чего-то, что хранит магнитную энергию, является сверхпроводящий магнит, используемый в МРТ.

Эластичная энергия: это потенциальная механическая энергия, которая сохраняется в конфигурации материала или физической системы, когда выполняется работа по искажению его объема или формы.Примером чего-то, что хранит упругую энергию, является натянутая резинка.

Звуковая энергия: Это энергия, связанная с вибрацией или возмущением материи. Примером того, что создает звуковую энергию, является голосовой ящик (гортань).

Механическая энергия: Это энергия, связанная с движением и положением объекта. Это сумма всей кинетической и потенциальной энергии объекта. Примером чего-то, что использует механическую энергию, является маятник.

Световая энергия: это энергия, которую можно увидеть, потому что это видимый свет. Пример световой энергии — свет от фонарика.

Масса: Может быть преобразована в энергию с помощью: E = mc 2 . Например, масса превращается в энергию при взрыве ядерной бомбы.

Взрыв атомной бомбы : Грибовидное облако атомной бомбардировки Нагасаки, Япония

В каждой из вышеупомянутых форм энергия существует в виде кинетической энергии, потенциальной энергии или их комбинации.Важно отметить, что приведенный выше список не обязательно является полным, поскольку в будущем мы можем открыть новые формы энергии, такие как «темная энергия». Кроме того, каждая из форм, которые может принимать энергия (как указано выше), не обязательно являются взаимоисключающими. Например, световая энергия — это лучистая энергия.

Типы энергии : Краткий обзор энергии, кинетической энергии, гравитационной потенциальной энергии и теоремы работы-энергии для студентов-физиков, изучающих алгебру.

Преобразования энергии

Преобразование энергии происходит, когда энергия изменяется из одной формы в другую, и является следствием первого закона термодинамики.

Цели обучения

Обобщите последствия первого закона термодинамики для полной энергии системы

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Полная энергия данной системы может быть изменена только при добавлении или вычитании энергии из системы.
  • Часто оказывается, что энергия была потеряна из системы, когда она просто была преобразована.
  • Эффективность преобразований описывает соотношение между полезным выходом машины преобразования энергии и входом.
Ключевые термины
  • маятник : тело, подвешенное на неподвижной опоре так, что оно свободно качается вперед и назад под действием силы тяжести; он обычно используется для регулирования различных устройств, например, часов.
  • первый закон термодинамики : версия закона сохранения энергии, специально для термодинамических систем.Обычно его формулируют, утверждая, что изменение внутренней энергии замкнутой системы равно количеству тепла, подаваемого в систему, за вычетом количества работы, выполняемой системой над ее окружением.

Преобразование энергии происходит, когда энергия изменяется из одной формы в другую. Это следствие первого закона термодинамики, что полная энергия данной системы может быть изменена только тогда, когда энергия добавляется или вычитается из системы. Часто оказывается, что энергия была потеряна из системы, когда она просто была преобразована.Например, двигатель внутреннего сгорания преобразует потенциальную химическую энергию бензина и кислорода в тепловую энергию. Затем эта тепловая энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая затем используется для приведения в движение транспортного средства, использующего двигатель. Техническим термином для устройства, преобразующего энергию из одной формы в другую, является преобразователь .

Преобразование энергии : Эти рисунки иллюстрируют концепции потерь энергии и полезного выхода энергии.

При анализе преобразований энергии важно учитывать эффективность преобразования.Эффективность преобразования описывает соотношение между полезной выходной мощностью и входной мощностью машины преобразования энергии. Некоторые преобразования энергии могут происходить с эффективностью практически 100%. Например, представьте маятник в вакууме. Как показано на рисунке, когда масса маятника достигает максимальной высоты, вся его энергия существует в форме потенциальной энергии. Однако, когда маятник находится в самой нижней точке, вся его энергия существует в форме кинетической энергии.

Маятник : На этой анимации показаны векторы скорости и ускорения маятника.Можно заметить, что на максимальной высоте массы маятника скорость равна нулю. Это соответствует нулевой кинетической энергии и, таким образом, вся энергия маятника находится в форме потенциальной энергии. Когда масса маятника находится в самой низкой точке, вся его энергия находится в форме кинетической энергии, и мы видим, что его вектор скорости имеет здесь максимальную величину.

Другие преобразования энергии происходят с гораздо меньшей эффективностью преобразования. Например, теоретический предел энергоэффективности ветряной турбины (преобразование кинетической энергии ветра в механическую) составляет 59%.Процесс фотосинтеза способен преобразовывать световую энергию солнца в химическую энергию, которая может быть использована растением с эффективностью преобразования всего 6%.

Кривые потенциальной энергии и эквипотенциалы

Кривая потенциальной энергии отображает потенциальную энергию как функцию положения; эквипотенциальные линии прослеживают линии равной потенциальной энергии.

Цели обучения

Вывести потенциал точечного заряда

Основные выводы

Ключевые моменты
  • Кривая потенциальной энергии отображает потенциальную энергию объекта как функцию его положения.
  • Эквипотенциальные линии — это линии с равной потенциальной энергией.
  • Для перемещения по эквипотенциальной линии не нужно выполнять никаких действий.
Ключевые термины
  • потенциальная энергия : энергия, которую объект имеет из-за его положения (в гравитационном или электрическом поле) или его состояния (в виде растянутой или сжатой пружины, в качестве химического реагента или благодаря наличию массы покоя)
  • кинетическая энергия : энергия, которой обладает объект из-за его движения, равная половине массы тела, умноженной на квадрат его скорости.

Кривая потенциальной энергии отображает потенциальную энергию объекта в зависимости от его положения. Например, см. Рассматриваемая система является замкнутой системой, поэтому полная энергия системы остается постоянной. Это означает, что кинетическая и потенциальная энергия всегда должны быть в сумме, чтобы получить одно и то же значение. Мы наблюдаем, что потенциальная энергия увеличивается с уменьшением кинетической энергии и наоборот. Полезность кривой потенциальной энергии заключается в том, что мы можем быстро определить потенциальную энергию рассматриваемого объекта в заданном месте.

Кривая потенциальной энергии : На этом рисунке показана потенциальная энергия частицы как функция положения. Также показана кинетическая энергия, обозначенная аббревиатурой K.

.

Эквипотенциальные линии — это линии с равной потенциальной энергией. В случае, если вы проведете прямую горизонтальную линию через центр, это будет эквипотенциальная линия. В и, если вы путешествуете по эквипотенциальной линии, электрический потенциал будет постоянным.

Эквипотенциальные линии для двух равных и противоположных точечных зарядов : электрическое поле (синий) и эквипотенциальные линии (зеленый) для двух равных и противоположных зарядов

Давайте рассмотрим физическое объяснение линий эквипотенциалов в.Уравнение для потенциала точечного заряда: В = кОм / r , где В — потенциал, к — константа со значением 8,99 · 10 9 Н · м 2 / C 2 , Q — величина точечного заряда, а r — расстояние от заряда. Таким образом, каждая точка, находящаяся на одинаковом расстоянии от точечного заряда, будет иметь одинаковую электрическую потенциальную энергию. Следовательно, если мы нарисуем круг вокруг точечного заряда, каждая точка на круге будет иметь одинаковую потенциальную энергию.

Работа ( Вт, ) — это мера изменения потенциальной энергии (Δ PE ): Вт = -Δ PE .

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.