Преобразование одного вида механической энергии в другой. Закон сохранения энергии

Пружина, пытаясь вернуться к своей первоначальной форме, потеряет потенциальную энергию, но приобретет скорость, т.е. ее кинетическая энергия увеличится. Когда маятник находится в исходном положении, он обладает максимальной кинетической энергией, а его потенциальная энергия равна нулю.

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам набора, добавьте его в свой личный кабинет, купив в каталоге.

Стань невероятным

Конспект урока “Преобразование одного вида механической энергии в другой”. Закон сохранения энергии”.

Преобразование одного вида механической энергии в другой. Закон сохранения энергии

“Все меняется, ничто не исчезает”.

Энергия может переходить из одного вида в другой и в другие формы. Это будет обсуждаться в данной теме.

Последняя тема была посвящена энергии. Энергия – это энергия тела, способная совершать работу. Механическая энергия делится на два типа: потенциальный энергия и кинетический энергия. Потенциальная энергия определяется взаимным расположением взаимодействующих тел (или частей одного и того же тела). Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает любое движущееся тело. Потенциальная энергия тела, поднятого с земли, пропорциональна массе этого тела и высоте, на которую оно поднято.

Кинетическая энергия пропорциональна массе тела и квадрату скорости, с которой оно движется.

Что происходит с энергией при падении тела?

В качестве примера возьмем яблоко, падающее с яблони.

Первоначально яблоко находится в состоянии покоя, т.е. его скорость равна нулю. Поэтому кинетическая энергия также равна нулю. Но яблоко находится на определенной высоте, поэтому оно обладает потенциальной энергией. Яблоко начинает падать, и его высота постепенно уменьшается. Но в то же время скорость увеличивается. Когда яблоко коснется земли, его высота будет равна нулю, а скорость будет максимальной. Таким образом, вся потенциальная энергия яблока была преобразована в кинетическую энергию. Возникает вопрос: Какая энергия передается кинетической энергии при ударе яблока о землю? Она превращается в другой вид энергии, который мы будем изучать в 8 классе.

Рассмотрим другой пример: бросок футбольного мяча с определенной высоты. Точно так же, как и в предыдущем примере, мяч будет набирать скорость и терять высоту, что означает, что его потенциальный энергия преобразование в кинетическая энергия. При ударе о землю мяч деформируется: поэтому кинетический энергия шара передается в энергия упруго деформированного тела. В попытке вернуться к своей первоначальной форме упругие силы, действующие в мяче, совершают работу, заставляя мяч снова отскочить, почти на ту же высоту, что и раньше. В этом случае, наоборот, его скорость уменьшится, а рост увеличится. Итак, сейчас, кинетический энергия в потенциальный. Шарик достигнет максимальной высоты и зависнет в воздухе на некоторое время, после чего снова начнет падать, и процесс преобразования энергии повторится. В конце концов мяч перестанет подпрыгивать и упадет на землю. В данном случае речь идет о следующем, Энергия расходуется на преодоление сопротивления воздуха, а также теряется при ударе мяча о землю..

Рассмотрим пружинный маятник. Когда пружина расслаблена, потенциальная и кинетическая энергия равны нулю.

Когда пружина растягивается, она начинает обладать потенциальной энергией.

Пружина потеряет потенциальную энергию, но приобретет скорость, т.е. ее кинетическая энергия увеличится, так как она попытается вернуться к своей первоначальной форме. В исходном положении маятник будет обладать максимальной кинетической энергией, а его потенциальная энергия будет равна нулю.

Вследствие явления инерции маятник будет продолжать двигаться. Теперь его скорость будет уменьшаться, а пружина будет деформироваться все больше и больше. Таким образом, кинетическая энергия будет преобразована в потенциальную. Это будет повторяться снова и снова. То же самое можно сказать и о движении обычного маятника.

Многие природные явления сопровождаются преобразованием одного вида энергии в другой. Классическим примером является течение воды в реках: ведь реки текут с гор в моря. Это означает, что вода изначально находится на определенной высоте и обладает потенциальной энергией, которая впоследствии преобразуется в кинетическую энергию -. Энергия речного потока.

Другой пример – ветер, сгибающий деревья. Ветер – это движение воздушных масс, что означает, что воздух, в данном случае, обладает кинетической энергией. Эта кинетическая энергия используется для изгибания дерева (т.е. его деформации). Поэтому, дерево начинает обладать потенциальной энергией..

Овидий говорил, что “все меняется, ничто не исчезает”. Конечно, речь шла не только об энергии, но она как нельзя лучше подходит под понятие энергии. Действительно, из всех примеров, которые мы рассмотрели, ясно, что Энергия не исчезает, она лишь меняет свою форму. Энергия не может быть создана или уничтожена.. Можно лишь заставить один вид энергии превратиться в другой. Если в системе нет сил сопротивления, энергия полностью сохраняется. Это означает, что в момент удара о землю кинетическая энергия падающего тела будет точно такой же, как и его потенциальная энергия до начала падения. Кроме того, в течение всего полета сумма кинетической и потенциальной энергии будет постоянной. Это можно представить графически.

На графике показаны кинетическая энергия, потенциальная энергия и полная механическая энергия. Потенциальная энергия уменьшается ровно на столько же, на сколько увеличивается кинетическая энергия. Поэтому полная механическая энергия остается постоянной, поэтому она показана на графике в виде горизонтальной линии. Таким образом, закон сохранения механической энергии заключается в следующем: Если в замкнутой системе не действуют силы трения и сопротивления, то сумма кинетической и потенциальной энергий всех тел системы остается постоянной.. Закрытая система – это система, которая не взаимодействует с телами вне ее.

Закон сохранения энергии часто упрощает решение довольно сложных задач, а некоторые задачи могут быть решены только с использованием закона сохранения энергии.

Проблема 1. Пуля летит вертикально вверх из пистолета со скоростью 1300 км/ч. Пренебрегая сопротивлением воздуха, найдите максимальную высоту, на которую поднимется снаряд.

Проблема 2. Мальчик на балконе бросает мяч вертикально вверх с начальной скоростью 3 м/с. После этого мяч падает на землю. Пренебрегая сопротивлением воздуха, найдите скорость мяча при ударе о землю, если расстояние между землей и балконом равно 5 м.

Проблема 3. Барон Мюнхгаузен утверждал, что он может летать на шаре. Однажды он заявил, что когда он спустился с высоты 80 м до 60 м, его скорость увеличилась на 20 м/с. Могло ли заявление барона быть правдой?

Основные выводы:

Энергия не исчезает и не появляетсяОна просто переходит из одной формы в другую.

Закон сохранения механической энергииПри отсутствии сил трения и сопротивления в замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии всех тел в системе остается постоянной.

Для того чтобы добиться осаждения вещества на электродах за счет движения ионов, необходимо затратить электрическую энергию. Этот процесс называется электролизом. Такое преобразование электрической энергии в химическую используется в электрометаллургии для химической очистки металлов (меди, алюминия, цинка и т.д.).

Преобразование энергии – электрической, тепловой, механической, световой

Понятие энергии используется во всех науках. Известно, что тела, обладающие энергией, могут производить работу. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не исчезает и не может быть создана из ничего, но появляется в различных формах (например, тепловая энергия, механическая энергия, световая энергия, электрическая энергия и т.д.).

Преобразование энергии

Одна форма энергии может превращаться в другую, при этом сохраняются точные количественные пропорции различных видов энергии. В общем, переход одной формы энергии в другую никогда не бывает полным, потому что всегда существуют другие (в основном нежелательные) формы энергии. Например, в электродвигателе не вся электрическая энергия преобразуется в механическую, а часть ее преобразуется в тепловую энергию (нагрев проводников токами, нагрев за счет сил трения).

Факт неполного перехода одного вида энергии в другой характеризуется коэффициентом полезного действия (COP). Это определяется как отношение полезной энергии к общей энергии или отношение полезной мощности к общей мощности.

Преимущество электричества заключается в том, что его можно относительно легко и с малыми потерями передавать на большие расстояния, и оно имеет чрезвычайно широкий спектр применения. Распределением электроэнергии относительно легко управлять, ее можно накапливать и хранить в известных количествах.

За один рабочий день средний человек потребляет энергию, эквивалентную 1000 кДж, или 0,3 кВт. Человеку требуется около 8000 кДж в виде пищи и 8000 кДж для обогрева домов, фабрик, приготовления пищи и т.д. Если к этому добавить затраты энергии в промышленности и на транспорте, то ежедневные затраты энергии на человека составят около 200 000 ккал, или 60 кВт/ч.

Электрическая и механическая энергия

Электричество преобразуется в механическую энергию в электродвигателях и, в меньшей степени, в электромагнитах. В обоих случаях используются эффекты, связанные с электромагнитным полем. Потери энергии, т.е. та часть энергии, которая не преобразуется в желаемую форму, в основном состоят из энергетических затрат на текущий нагрев проводников и потерь на трение.

Электрический двигатель

КПД больших электродвигателей превышает 90%, а КПД малых двигателей немного ниже этого уровня. Например, если электродвигатель имеет мощность 15 кВт и КПД 90%, то его механическая (полезная) мощность составляет 13,5 кВт. Если механическая мощность электродвигателя составляет 15 кВт, то при том же значении КПД потребление электроэнергии составляет 16,67 кВтч.

Процесс преобразования электрической энергии в механическую является обратимым, т.е. механическая энергия может быть преобразована в электрическую (см. Процесс преобразования энергии в электрических машинах). Для этого в основном используются генераторы, которые по конструкции похожи на электродвигатели и могут приводиться в действие паровыми или водяными турбинами. В таких генераторах также существуют потери энергии.

Электро- и теплоэнергия

Если в проводнике протекает электрический ток, электроны во время своего движения сталкиваются с атомами материала проводника и побуждают их к более интенсивному тепловому движению. При этом электроны теряют часть своей энергии. Вырабатываемая таким образом тепловая энергия приводит, например, с одной стороны, к повышению температуры деталей и обмоток проводов в электрических машинах, а с другой – к повышению температуры окружающей среды. Необходимо проводить различие между полезной тепловой энергией и потерями тепловой энергии.

Нагревательный элемент

В электрических нагревательных приборах (электрические котлы, утюги, нагревательные плиты и т.д.) целью должно быть как можно более полное преобразование электрической энергии в тепловую. Это не относится, например, к линиям электропередач или электродвигателям, где возникающая тепловая энергия является нежелательным побочным эффектом и поэтому часто должна рассеиваться.

В результате повышения температуры тела тепловая энергия передается в окружающую среду. Передача тепловой энергии происходит в форме проводимости, конвекции и излучения. В большинстве случаев очень трудно точно определить общее количество выделившейся тепловой энергии.

Если тело должно быть нагрето, его конечная температура должна быть намного выше, чем требуемая температура нагрева. Это необходимо для того, чтобы как можно меньше тепловой энергии передавалось в окружающую среду.

Если, с другой стороны, нагрев до температуры тела нежелателен, то значение конечной температуры системы должно быть небольшим. Для этого создаются условия, способствующие отводу тепловой энергии от тела (большая площадь контакта с телом, принудительная вентиляция).

Тепловая энергия, выделяемая в электрических проводниках, ограничивает значение тока, допустимого в этих проводниках. Максимально допустимая температура проводника определяется термическим сопротивлением его изоляции. Чтобы обеспечить передачу определенного количества электрической энергии, значение тока, а значит и напряжения, должно быть выбрано как можно более низким. В этих условиях затраты на материал проводника будут снижены. Следовательно, экономически выгодно передавать электроэнергию большой мощности при высоком напряжении.

Трансформаторная подстанция

Преобразование тепловой энергии в электрическую

Тепловая энергия преобразуется непосредственно в электрическую в так называемых термоэлектрических преобразователях. Термоэлектрический преобразователь состоит из двух металлических проводников, изготовленных из разных материалов (например, меди и константана) и спаянных вместе с одного конца.

При определенной разнице температур между точкой контакта и двумя другими концами двух проводников возникает ЭДС, которая, в первом приближении, прямо пропорциональна разнице температур. Это тепловое ЭМП, составляющее несколько милливольт, можно зарегистрировать с помощью очень чувствительного вольтметра. Если вольтметр откалиброван в градусах Цельсия, то полученное устройство вместе с термоэлектрическим преобразователем можно использовать для прямого измерения температуры.

Термопара

Мощность преобразования низкая, поэтому такие преобразователи редко используются в качестве источников питания. В зависимости от материалов, используемых для изготовления термопары, они работают в различных температурных диапазонах. Для сравнения можно привести некоторые характеристики различных термопар: медная термопара используется до 600 °C, ЭДС около 4 мВ при 100 °C; железная термопара используется до 800 °C, ЭДС около 5 мВ при 100 °C.

Пример практического применения преобразования тепла в электрическую энергию – термоэлектрические генераторы

Электрическая и световая энергия

С физической точки зрения, свет – это электромагнитное излучение, которое соответствует определенной части спектра электромагнитных волн и может быть обнаружено человеческим глазом. Спектр электромагнитных волн также включает радиоволны, тепловое излучение и рентгеновские лучи. См. Основные светящиеся величины и их взаимосвязи

Световое излучение может быть получено с помощью электрической энергии посредством теплового излучения и газового разряда. Тепловое (температурное) излучение возникает при нагревании твердых тел или жидкостей, которые в результате нагрева испускают электромагнитные волны различной длины. Распределение интенсивности теплового излучения зависит от температуры.

Лампа накаливания

При повышении температуры максимальная интенсивность излучения смещается в сторону электромагнитных колебаний более коротких длин волн. При температуре около 6500 К пик излучения приходится на длину волны 0,55 мкм, что соответствует максимальной чувствительности человеческого глаза. Однако для целей освещения ни одно твердое тело не может быть нагрето до такой температуры.

Самую высокую температуру нагрева выдерживает вольфрам. В стеклянных вакуумных цилиндрах его можно нагревать до 2100°C, а при более высоких температурах он начинает испаряться. Процесс испарения может быть замедлен путем добавления определенных газов (азот, криптон), что позволяет поднять температуру нити до 3000°C.

Чтобы уменьшить потери в лампах накаливания из-за конвекции, нить накала выполняется одинарной или двойной. Однако, несмотря на эти меры, светоотдача ламп накаливания составляет 20 лм/Вт, что все еще очень далеко от оптимума, который может быть достигнут теоретически. Источники теплового излучения имеют очень низкий КПД, поскольку большая часть электрической энергии преобразуется в тепловую энергию, а не в световую.

В газоразрядных источниках света электроны сталкиваются с атомами или молекулами газа и таким образом вызывают в них электромагнитные колебания определенной длины волны. Весь объем газа участвует в излучении электромагнитных волн, и, как правило, спектральные линии этого излучения не всегда лежат в диапазоне видимого света. Светодиодные источники света в настоящее время являются наиболее широко используемыми источниками света. См. – Выбор источников света для промышленных помещений.

Преобразование световой энергии в электрическую

Световая энергия может быть преобразована в электрическую двумя физически различными способами. Такое преобразование энергии может происходить за счет фотоэлектрического эффекта (фотоэлектрический эффект). Для реализации фотоэлектрического эффекта используются фототранзисторы, фотодиоды и фоторезисторы.

Оптопара

На границе между некоторыми полупроводниками (германий, кремний и т.д.) и металлами образуется пограничная зона, где атомы двух контактирующих материалов обмениваются электронами. Когда свет падает на пограничную зону, электрическое равновесие в ней нарушается, в результате чего возникает ЭДС, которая индуцирует электрический ток во внешней замкнутой цепи. ЭДС и, следовательно, величина тока зависит от потока падающего света и длины волны излучения.

Некоторые полупроводниковые материалы используются в качестве фоторезисторов. Воздействие света на фоторезистор увеличивает количество свободных носителей заряда в нем, что изменяет его электрическое сопротивление. Если фоторезистор подключен к электрической цепи, ток в этой цепи будет зависеть от энергии света, падающего на фоторезистор.

Химическая и электрическая энергия

Водные растворы кислот, оснований и солей (электролиты) проводят электричество в большей или меньшей степени благодаря явлению электрической диссоциации вещества. Часть молекул растворенного вещества (размер этой части определяет степень диссоциации) присутствует в растворе в виде ионов.

Если в растворе имеются два электрода, к которым приложена разность потенциалов, ионы будут двигаться, причем положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) – к аноду.

Попадая на соответствующий электрод, ионы приобретают недостающие им электроны или, наоборот, отдают лишние электроны и в результате становятся электрически инертными. Масса материала, оседающего на электродах, прямо пропорциональна переданному заряду (закон Фарадея).

В пограничной зоне между электродом и электролитом упругость растворения металла и осмотическое давление противодействуют друг другу. (Осмотическое давление вызывает осаждение ионов металлов из электролитов на электродах. Только этот химический процесс является причиной возникновения разности потенциалов).

Электролиз

Преобразование электрической энергии в химическую

Чтобы получить осаждение веществ на электродах за счет движения ионов, необходимо приложить электрическую энергию. Этот процесс называется электролизом. Такое преобразование электрической энергии в химическую используется в электрометаллургии для получения химически чистых металлов (меди, алюминия, цинка и т.д.).

В гальванике активно окисляющиеся металлы покрываются пассивными металлами (золотое покрытие, хромирование, никелирование и т.д.). В гальванике изготавливаются трехмерные отпечатки (пленки) различных тел. Если тело изготовлено из непроводящего материала, то перед нанесением отпечатка его необходимо покрыть электропроводящим слоем.

Преобразование химической энергии в электрическую

Если два электрода из разных металлов поместить в электролит, между ними возникнет разность потенциалов из-за разницы в упругости растворения металлов. Если между электродами вне электролита поместить электрический потребитель, например, резистор, то в образовавшейся цепи будет протекать ток. Именно так устроены гальванические элементы (первичные элементы).

Первый гальванический элемент из меди и цинка был изобретен Вольта. В этих клетках происходит преобразование химической энергии в электрическую. Работе гальванических элементов может мешать явление поляризации, которое возникает в результате осаждения вещества на электродах.

Преобразование химической энергии в электрическую

Все гальванические элементы имеют тот недостаток, что химическая энергия преобразуется в электрическую необратимым образом, т.е. гальванические элементы нельзя перезарядить. Аккумуляторы не имеют этого недостатка.

Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет в развитии нашего сайта!

Одним из основных законов природы является Закон сохранения и преобразования энергии:

Преобразование механической и внутренней энергии

Давайте проведем простой эксперимент. Возьмите резиновый мяч, поднимите его на определенную высоту над столом и отпустите.

Он отскакивает от стола, но каждый раз поднимается на меньшую высоту. Это происходит до тех пор, пока он не остановится. Нельзя сказать, что его полная механическая энергия осталась неизменной.

Почему? На мяч действуют силы трения. Таким образом, каждый раз часть его механической энергии преобразовывалась во внутреннюю энергию, пока она не была полностью преобразована.

Но не все тела будут отскакивать от поверхности. Когда мы говорили с вами о внутренней энергии тела, мы рассмотрели пример эксперимента со свинцовым шариком, падающим на свинцовую доску. Его механическая энергия была полностью преобразована во внутреннюю энергию при падении.

Примеров тому множество. Но мы уже можем заявить.

механическая и внутренняя энергия может передаваться от одного тела к другому.

Это можно легко наблюдать в тепловых процессах. Например, при теплопроводности энергия передается от более нагретого тела к менее нагретому.

В технике мы часто можем наблюдать преобразование внутренней энергии в механическую. Например, внутренняя энергия топлива, сгорая в двигателе автомобиля, преобразуется в механическую энергию движения.

1) увеличился в 16 раз
2) уменьшился в 16 раз
3) увеличился в 4 раза
4) уменьшилась в 4 раза.

ПРИМЕРНЫЕ ЗАДАЧИ

Часть 1

1. Два тела находятся на одинаковой высоте над поверхностью Земли. Масса одного тела в три раза больше массы другого тела (m_2). Относительно поверхности Земли потенциальная энергия

1) первого тела в 3 раза больше потенциальной энергии второго тела
2) второе тело имеет в 3 раза большую потенциальную энергию, чем первое тело
3) первое тело имеет в 9 раз больше потенциальной энергии, чем второе тело
4) второе тело имеет в 9 раз больше потенциальной энергии, чем первое тело

2. Сравните потенциальную энергию сферы на полюсе Земли и на широте Москвы, если она находится на одинаковой высоте относительно поверхности Земли.

1) {E_n=E_m }
2) ( E_n>E_m )
(3) }( E_n
4) ( E_ngeq E_m )

3. Тело бросают вертикально вверх. Его потенциальная энергия

1) одинаков в каждый момент движения
2) максимум в начале движения
3) максимум в верхней точке траектории
4) минимум в верхней точке траектории

4. Как изменится потенциальная энергия пружины, если мы уменьшим ее удлинение на 4?

1) увеличиться в 4 раза
2) увеличиться в 16 раз
3) уменьшится в 4 раза
4) уменьшится в 16 раз

5. Яблоко массой 150 г, лежащее на столе высотой 1 м, подняли на 10 см относительно стола. Какова потенциальная энергия яблока относительно пола?

1) 0.15 J
2) 0.165 J
3) 1.5 J
4) 1.65 J

6. Скорость движущегося тела уменьшилась в 4 раза. Однако его кинетическая энергия

1) увеличился в 16 раз
2) уменьшился в 16 раз
3) увеличился в 4 раза
4) уменьшилась в 4 раза.

7. Два тела движутся с одинаковыми скоростями. Масса второго тела в 3 раза больше массы первого тела. Кинетическая энергия второго тела

1) больше в 9 раз
2) в 9 раз меньше
3) в три раза больше
4) меньше в 3 раза.

8. Тело падает на пол с поверхности демонстрационного стола учителя. (Мы не учитываем сопротивление воздуха.) Кинетическая энергия тела

1) минимальна, когда она достигает поверхности пола
2) является минимальным в момент начала движения
3) одинакова в каждой точке движения тела
4) максимальна в начале движения

9. Книга, упавшая со стола на пол, имела кинетическую энергию 2,4 Дж, когда она коснулась пола. Высота стола составляет 1,2 м. Какова масса книги? Давайте пренебрежем сопротивлением воздуха.

1) 0,2 кг
2) 0,288 кг
3) 2,0 кг
4) 2,28 кг

10. С какой скоростью нужно бросить тело массой 200 г вертикально вверх с поверхности Земли, чтобы его потенциальная энергия в высшей точке движения была равна 0,9 Дж? Пренебрежем сопротивлением воздуха. Потенциальная энергия тела должна быть рассчитана от поверхности земли.

1) 0,9 м/с
2) 3,0 м/с
3) 4,5 м/с
4) 9,0 м/с

11. Соотнесите физическую величину (левая колонка) с формулой, по которой она рассчитывается (правая колонка). Ответьте на вопрос, вводя поочередно номера выбранных вами ответов

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Потенциальная энергия взаимодействия между телом и Землей
Б. Кинетическая энергия
B. Потенциальная энергия упругой деформации

ЭНЕРГИЯ
1) {E=mv^2/2 }
2) }( E=kx^2/2 }
3) ( E=mgh )

12. Мяч бросают вертикально вверх. Сопоставьте энергию шарика (левая колонка) с характером ее изменения (правая колонка) при растяжении пружины измерителя силы. Ответьте на вопрос, написав номера выбранных вами ответов на строке.

ФИЗИЧЕСКАЯ ВЕЛИЧИНА
A. Потенциальная энергия
Б. Кинетическая энергия
B. Полная механическая энергия

ИЗМЕНЕНИЕ ЭНЕРГИИ
1. уменьшение
2) увеличение
3) не меняться

Часть 2

13. Снаряд массой 10 г, движущийся со скоростью 700 м/с, пробил доску толщиной 2,5 см и имел скорость 300 м/с, когда покинул доску. Определите среднюю силу сопротивления, действующую на снаряд на доске.

Внутренняя энергия – Энергия, зависящая от внутреннего состояния. Она включает кинетическую энергию теплового движения микрочастиц (ядер, атомов, молекул, ионов и т.д.) и энергию их взаимодействия. Внутренняя энергия зависит от массы тел, от их температуры и от того, в каком агрегатном состоянии они находятся. Внутренняя энергия тела изменится, если его деформировать или раздавить. Однако это не зависит от того, обладает ли тело механической энергией или нет.

Урок 23: Самые общие законы природы. Законы природы

Энергия (от греч. ἐνέργεια – действие, активность, сила, мощь) – универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия – это свойство состояния тела или системы тел, зависящее от параметров состояния, ее изменение называется работой.

Работа – это физическая величина, характеризующая количество энергии, отдаваемой или получаемой системой при изменении ее внешних параметров.

Кинетическая энергия – описывает движение тела. Это векторная физическая величина. Она равна нулю, когда тело неподвижно.

Потенциальная энергия – Потенциальная энергия – это энергия, возникающая в результате взаимного расположения тел и характера их взаимодействия. Потенциальная энергия всегда характеризует тело относительно источника силы (силового поля). Например, потенциальная энергия гравитационного поля, электромагнитного поля, упругой деформации и т.д.

Внутренняя энергия – Энергия, зависящая от внутреннего состояния. Она включает кинетическую энергию теплового движения микрочастиц (ядер, атомов, молекул, ионов и т.д.) и энергию их взаимодействия. Внутренняя энергия зависит от массы тела, от температуры тела и от агрегатного состояния тела. Внутренняя энергия тела изменяется, если оно деформируется или сжимается. Однако это не зависит от того, обладает ли тело механической энергией или нет.

Закрытая система – это идеализированная модель системы тел, для которой чистая внешняя сила равна нулю. Например, закрытая система в механике может быть определена как система тел, на которую не действуют внешние силы или действия этих внешних сил на тела системы полностью компенсированы.

Закон сохранения энергии – Фундаментальный закон природы: в замкнутой системе тел полная энергия не изменяется при любом взаимодействии в этой системе тел. Закон накладывает ограничения на проведение процессов в природе. Природа не позволяет энергии появляться из ниоткуда и исчезать в небытие.

Импульс – Векторная величина, равная произведению массы тела и скорости его движения, иногда называемая величиной движения.

Закон сохранения импульса – Для замкнутой системы не существует внешних сил, поэтому импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. остается постоянным во времени.

Закон сохранения импульса: импульс замкнутой системы сохраняется, т.е. не изменяется со временем; или импульс системы материальных точек сохраняется, если система замкнута или если сумма моментов всех внешних сил, действующих на систему, равна нулю.

Основная и дополнительная литература по теме урока (Точные библиографические данные с указанием страниц):

Естественные науки. Алексашина И.Ю., Галактионов К.В., Дмитриев И.С., Ляпцев А.В. и др. / Под ред. И.Ю. Алексашиной. Алексашина. – Алексашина, 3-е издание – М.: Просвещение, 2017: с. 112 – 114.

Альберт Эйнштейн, Леопольд Инфельд “Эволюция физики. Развитие идей от первобытных представлений до относительности и квантовой теории” // электронный доступ: https://elementy.ru/bookclub/chapters/430770/III_Pole_i_otnositelnost

Теоретический материал для самостоятельного изучения

Анализ закономерностей в природе позволил выявить универсальные законы, проявляющиеся на всех уровнях ее организации. Эти законы оказываются справедливыми для всех явлений и процессов. Они не зависят не только от людей, но и от системы отсчета (они неизменны), что означает их объективность. Поиск законов – это поиск наиболее объективного, наиболее естественного способа выражения человеческого знания о мире.

Среди наиболее общих законов природы – закон сохранения.

Закон сохранения энергии.

Понятие энергии встречается во всех естественных науках.

Энергия – это универсальная мера различных форм движения и взаимодействия. Энергия – это свойство состояния тела или системы тел, зависящее от параметров этого состояния, его изменение называется работой.

Открытие закона сохранения энергии сводит все знания о природе к единой системе. Все наши знания, представления о физических, химических, биологических и других процессах. Универсальность этого закона позволяет комбинировать различные виды энергии (механическую, электромагнитную, тепловую и т.д.).

Суть закона сохранения энергии заключается в том, что энергия любого вида может быть передана от одного тела к другому или преобразована из одного вида энергии в другой; более того, в процессах передачи и преобразования энергия не исчезает бесследно и не создается из ничего.

Если представить себе систему, которая не взаимодействует с окружающей средой, то есть не получает энергию извне и не отдает ее обратно, то можно сказать, что энергия этой замкнутой системы остается постоянной. В природе не существует систем, которые вообще не взаимодействуют с окружающей средой – природные системы открыты. Однако каждая природная система является частью системы более высокого порядка. Поэтому закон сохранения энергии оказывается верным и в этом случае.

Закон сохранения механической энергии является частным случаем фундаментального закона сохранения энергии:

Различают кинетическую и потенциальную энергию. Они могут переходить один в другой. Примером этого является движение маятника. Механическая энергия является суммой этих двух энергий. Нетрудно предположить, что если бы маятник был замкнутой системой, то его движение было бы бесконечным. Однако, взаимодействуя с окружающей средой, часть энергии преобразуется во внутреннюю энергию. Например, если возникают силы трения или происходит неупругий удар, тела могут нагреваться, т.е. механическая энергия преобразуется в тепловую (внутренняя энергия движения частиц). Внутренняя энергия также может быть преобразована в механическую энергию, что происходит, например, при движении живых организмов и работе тепловых двигателей.

Помимо тепловой энергии, электрическая, химическая и ядерная энергия являются видами внутренней энергии, которые вносят свой вклад в общее энергетическое содержание материи. Например, в лампе накаливания мы можем наблюдать преобразование электрической энергии в тепловую. Электродвигатель преобразует энергию электромагнитного поля в механическую энергию. Энергия химических связей может высвобождаться в виде тепловой энергии, например, при горении. Ядерная энергия в ядерных реакторах преобразуется в тепловую энергию.

Поэтому на фундаментальном уровне вся энергия в конечном итоге может быть сведена к кинетической энергии молекул материи и энергии фундаментальных полей.

Напомним, что обмен энергией с окружающей средой является одним из необходимых условий существования всего живого.

Закон сохранения импульса

Кроме энергии, существует еще одно свойство материи и полей – импульс. Впервые этот термин был использован Рене Декартом для описания движения. Он определил импульс как количество движения. Действительно, не всегда удобно описывать скорость, ускорение и т.д. Например, в случае торможения поезда и велосипеда, движущихся с одинаковой скоростью, тормозной путь будет длиннее. Я согласен, что одной скоростью это не объяснить. Важно также учитывать массу.

Величина, равная произведению массы и скорости тела, называется импульсом:

Это векторная величина. И его вектор направлен в ту же сторону, что и скорость.

Введение импульса действительно оправдано. В конце концов, он никуда не перемещается в теле, импульс сохраняется. Это можно проиллюстрировать на примере маятника, называемого колыбелью Ньютона.

Согласно закону сохранения импульса, импульс замкнутой системы остается постоянным (p = const). Его можно изменить только под воздействием внешних сил.

Импульс всегда связан с взаимодействием. Таким образом, внутренняя энергия не может изменить импульс системы. То есть вытаскивать себя из болота за волосы, как предлагал Мюнхгаузен, – бесполезное занятие.

С другой стороны, тогда и ракета не смогла бы двигаться в безвоздушном пространстве космоса, ей просто не от чего было бы “отталкиваться”. В этом случае важно рассмотреть векторную сумму импульсов тел в нашей замкнутой системе. При возникновении импульса тело начнет движение, чтобы компенсировать его, двигаясь при этом в противоположном направлении. Таким образом, воздушный шар с воздухом изначально имеет нулевой импульс. Тогда, согласно закону сохранения импульса, выпустив воздух, система должна продолжать удерживать нулевое значение. Воздух, выходящий с определенной скоростью, компенсируется движением шара в направлении, противоположном потоку воздуха.

Закон сохранения импульса можно наблюдать не только в движении животных, таких как кальмар, осьминог и т.д. Подобное реактивное движение используется в космических ракетах. Раскаленный газ, вытекающий из сопел, является “опорой” ракеты.

Отметим, что фундаментальные поля также характеризуются импульсом и могут приводить вещество в движение при взаимодействии с ним

Закон сохранения импульса

При вращательном движении угловой момент тела вокруг оси будет эквивалентен угловому моменту тела при поступательном движении. Эта величина зависит от того, какая масса вращается, как она распределена вокруг оси вращения и с какой скоростью происходит вращение. Ярким примером закона сохранения импульса является крутящаяся вертушка (юла). С точки зрения этого закона мы можем рассмотреть вращение планет вокруг Солнца. В этом случае импульс будет рассчитан по формуле:

Нетрудно заключить, что поскольку масса, радиус и скорость не изменяются, угловой момент останется неизменным ().

В случае тел, движущихся по эллиптическим орбитам, закон сохранения импульса все еще применим. В этом случае угловой момент будет выражен следующим образом:

α – угол между вектором скорости тела и направлением на Солнце.

Согласно закону сохранения импульса, комета, например, будет ускоряться по мере приближения к Солнцу, поскольку ее радиус будет уменьшаться.

Закон сохранения импульса хорошо виден в гимнастических упражнениях, в которых спортсмены выполняют вращательные движения. Сокращаясь и выпрямляясь, спортсмен заметно изменяет скорость вращения.

Импульс системы тел определяется как сумма импульсов каждого тела.

Этот закон действует и в микромире, поскольку все частицы обладают импульсом, что указывает на то, что они тоже движутся “вокруг своей оси”. Это свойство частиц называется спином.

Закон сохранения импульса действует не только в замкнутых системах, но и в тех случаях, когда внешние силы направлены внутрь. Например, попробуйте остановить велосипедное колесо, воздействуя только на ось его вращения.

Законы сохранения импульса, углового момента и энергии отражают общий принцип сохранения материи и движения и служат доказательством существования всеобщих связей в природе. Объективность законов природы, их всеобщность приводит к выводу о единстве законов природы, что подтверждает единство природы в целом.

Примеры и анализ решений задач из учебного модуля:

Выберите один ответ:

Что произойдет, если дети на крутящейся карусели будут одновременно двигаться ближе к центру?

Скорость вращения карусели увеличится;

Скорость вращения карусели уменьшится;

Скорость вращения карусели останется прежней;

Ответ: Скорость вращения карусели увеличится

Объяснение: Согласно Согласно закону сохранения импульса замкнутой системы, импульс остается неизменным L=const. Поскольку импульс связан с массой, скоростью и радиусом (L= m∙v∙r), легко оценить, что при постоянной массе, но уменьшающемся радиусе, скорость увеличивается, как мы видим на примере

Почему в действительности Мюнхгаузен не мог вытащить себя из болота за волосы?

A) Тяги было бы недостаточно;

B) Сохранение импульса применимо только к замкнутым системам, каковыми люди не являются;

C) Для того чтобы изменить импульс замкнутой системы, необходимо взаимодействие с другим телом, т.е. “вы должны от чего-то оттолкнуться”;

Объяснение: Импульс всегда связан с взаимодействием. Внутренняя энергия не может изменить импульс системы. То есть вытаскивать себя из болота за волосы, как предполагал Мюнхгаузен, – бесполезное занятие.

Энтропия – это уменьшение доступной энергии вещества вследствие переноса энергии. Энтропия используется для измерения уменьшения доступной энергии в результате процесса.

Непрерывное движение

PerpetuumНа протяжении веков люди мечтали (а некоторые и до сих пор мечтают) о создании устройства, способного бесконечно долго выполнять работу без потребления топлива или других энергетических ресурсов. Однако, согласно закону сохранения энергии, любая попытка создать такой двигатель обречена на провал. Ученые пришли к выводу, что создание вечного двигателя невозможно, после того как многочисленные попытки создать такой двигатель потерпели неудачу.

Проекты вечных двигателей делятся на два типа в зависимости от характера работ:

Перпетуум мобиле первого рода Перпетуум мобиле (физический, механический, гидравлический или магнитный) – это машина, которая работает непрерывно и, будучи запущенной, не потребляет внешнюю энергию. Они представляют собой механические устройства, принцип работы которых основан на использовании определенных физических явлений, таких как гравитация, закон Архимеда или капиллярное явление в жидкостях. Если бы такая машина могла работать бесконечно, это означало бы получение энергии из ничего.

Вечный двигатель второго рода (природный) – это тепловая машина, которая за счет циркуляции полностью преобразует тепло, полученное из одного “неисчерпаемого” источника (океан, атмосфера и т.д.), в работу. Классический вечный двигатель второго вида предусматривает возможность накопления тепла за счет работы, стоимость которой меньше полученного тепла, и использования части этого тепла для возобновления работы в новом цикле. Таким образом, должен быть создан избыток работы. Другая версия этого двигателя предполагает упорядочивание хаотического теплового движения молекул, в результате чего возникает направленное движение материи, сопровождающееся снижением ее термодинамической температуры.

В результате бесконечных попыток создать вечный двигатель был сформулирован так называемый “перпетуум мобиле”. первый и второй принципы термодинамики, которые являются следствиями закона сохранения энергии:

Первый закон термодинамики состояния: изменение внутренней энергии термодинамической системы при ее переходе из одного состояния в другое равно сумме работы внешних сил над системой и количества тепла, переданного системе, и не зависит от режима этого перехода, т.е. Q = ΔU + A. Первый закон термодинамики часто формулируется как невозможность создания вечного двигателя первого рода, который бы совершал работу, не получая энергии из какого-либо источника.

Второй закон термодинамики утверждает: невозможно, чтобы процесс просто передавал тепло от более холодного тела к более горячему. Это также означает, что в замкнутой системе энтропия любого реального процесса либо возрастает, либо остается постоянной (т.е. ΔS ≥ 0). Второй закон термодинамики – это постулат, который не может быть доказан в рамках термодинамики. Она основана на обобщении экспериментальных фактов и получила многочисленные экспериментальные подтверждения.

Несмотря на то, что наука уже давно пришла к окончательному выводу, что создание вечного двигателя невозможно, существует множество энтузиастов, которые продолжают разрабатывать различные проекты такого рода. Просто зайдите на Youtube.com и наберите в поисковике “вечный двигатель”, чтобы убедиться в этом.

  • Вспомните физику: теплоНапоминание по физике: тепло
  • Вспомните физику: работа, энергия и мощностьНапоминание по физике: работа, энергия и мощность
  • Хранение электроэнергииХранение электроэнергии
  • Где студент может готовиться к экзаменам
Читайте далее:
Сохранить статью?