Физика

Урок 12: Энергия

Энергия

«В нем кипит энергия!» - говорят про малыша в детском саду, если он неугомонный, раскидал игрушки, не сидит на месте, бегает, прыгает, с трудом засыпает. А что такое «энергия»? И может ли она кипеть? Это разве жидкость? Ответить поможет данный урок.
 

План урока:

Многообещающее слово «энергия»

Какой бывает механическая энергия?

Одна энергия превращается в другую

Ветер и вода на службе человека

 

Многообещающее слово «энергия»

Отец с сыном решили построить у себя на даче летний домик для своей собаки. Выбрали место и стали подносить туда доски. Оба старательно трудились. Отец приносил каждый раз по три доски, а сын – по одной. Кто из них совершил большую работу? Конечно отец. В таком случае об отце говорят, что у него энергии больше, чем у сына.

Следует обратить внимание, что оба человека, перенося доски, совершали механическую работу. Со временем способность выполнять задуманное становилась все меньше и меньше, то есть энергия работников уменьшалась.

По выражению физиков, когда телом совершается работа, энергия тела уменьшается.

Итак:

1

Если представить такую фантастическую ситуацию: неживые физические предметы смогли заговорить, тогда обладающее энергией тело произнесло бы: «Я обещаю вам выполнить любую работу, я могу это сделать, только воспользуйтесь моей возможностью».

2 Источник

На многочисленных фабриках и заводах, в автомобильном и воздушном транспорте, на теплоходах и тепловозах – везде расходуется энергия топлива. Машины, станки, сложные механизмы используют электроэнергию.

Растения живут за счет энергии солнца. Люди и животные дополнительно берут ее из ежедневно потребляемой пищи. Без этого вообще не возможно существование живой природы.

Это различные виды энергии, и изучаются они в старших классах. Здесь же идет разговор именно о механической энергии, напрямую связанной с механической работой.

Часть энергии теряется при совершении работы, то есть из энергии эта работа вычитается. Значит, как и работа, эта величина в СИ измеряется в джоулях. Обозначают механическую энергию буквой Е.

Само слово «энергия» получило статус международного слова от греческого «эргон», что означает «дело» или «работа». Составная часть слова «эрг» применяется для обозначения еще одной единицы измерения: 1 эрг = 10-7 Дж.

Изменение любой величины физики обозначают греческим символом Δ (дельта). Чтобы получить это значение Δ, надо из полученной величины вычесть первоначальную.

Пусть энергия тела первоначально была Е1, после совершения работы стала Е2. Тогда

ΔЕ = Е2 – Е1,

а это и есть работа А = Е2 – Е1 = ΔЕ

Какой бывает механическая энергия?

Как увидеть, что в рассматриваемом случае может совершаться работа? Пусть вратарь держит в руках мяч. Что мяч находится на какой-то высоте над землей, видно без специальных условий. 

3
 

Если спортсмен просто выронит мяч, сила тяжести совершит работу: сила будет приложена и путь равен высоте падения мяча (оба условия работы выполняются). Значит, мяч в руках вратаря обладает механической энергией.

Другой пример. Если отпустить натянутый резиновый эспандер, он вернется в исходное состояние, то есть деформированные части эспандера проделают движение под влиянием силы упругости.

natyanutyj espander

Опять работа совершится. Значит, у натянутой резины есть энергия.

В этих примерах имеют дело с потенциальной энергией (лат. «potenzia» - «возможность»). Тело не движется, но может совершить это движение. Потенциальной является энергия взаимного расположения (мяч и земля) или энергия упругой деформации (растянутый упругий эспандер).

5
Источник

6

Это правило справедливо для потенциальной энергии тела, находящегося над поверхностью земли, если оно взаимодействует с землей. Для деформированного упругого тела правило выглядит по-другому:

7

k – коэффициент жесткости тела, так как речь идет об упругой деформации.

 

Греческое слово «kinesis», что значит «движение», дало название другому виду механической энергии – кинетической. Если тело движется, то его энергия является кинетической. Движущийся сверху вниз молоток вколачивает гвозди, летящий самолет переносит себя и пассажиров из города в город, пуля пробивает часть кирпичной стены, попавший в сетку мяч, растягивает ее. Все это происходит при движении.

Кинетическая энергия прямо зависит от массы движущегося объекта, а так же от квадрата скорости его движения.

8Источник

9

Теперь работа, как величина, равная изменению энергии будет выглядеть более развернуто. Пусть V1 и V2 – скорости тела в первоначальном и конечном положении. Высоты h1 и h2 также определяют начальное и конечное положение тела. Начальная и конечная деформации тела – это х1 и х2. Для всех взятых характеристик начальная величина – это значение до совершения работы, конечная величина – после совершения работы.

10
Источник

Итак, в механике существует два вида энергии:

  • потенциальная, которой тела обладают в состоянии недвижимости в результате взаимного расположения;
  • кинетическая, приобретенная в движении.

11
Источник


Одна энергия превращается в другую

Наблюдая за движением подвешенных качелей, маятника часов, детской кроватки – качалки, пружинки с грузом, мяча, прыгающего по полу, обычный человек вряд ли может объяснить такое повторяющееся движение. А ученый-физик скажет, что в этих ситуациях происходит превращение энергии. Вот пример, как изменяется энергия для случая пружинного маятника (тела, соединенного с пружиной, способного двигаться в одну и другую сторону).

12

Этапы, которые проходит пружинный маятник:

  1. Пружина свободна, не сжата и не растянута. Шар покоится. Полная энергия равна Е = 0.
  2. Рукой пружина сжимается. В таком случае шар в состоянии выполнить работу, т.е. обладает Еп (максимальной для примера): Еп =  max, Ek = 0.
  3. Пружина разжимается, шар начинает двигаться, скорость его увеличивается. У движущегося тела становится меньше Еп, так как деформация уменьшается. Зато становится больше Ек, так как скорость тела растет. Наблюдается переход одной энергии в другую: Еп Ек.
  4. Положение шара внешне похоже на начальное положение. Но, если в начальном положении Е была равна 0, то в данном случае равна 0 потенциальная энергия, а кинетическая наоборот достигает максимального значения: Еп = 0 и Ек = max.
  5. Пружина растягивается за счет кинетической энергии. Шар движется с уменьшающейся скоростью. Ек уменьшается. Зато растет потенциальная (опять увеличивается деформация). Вновь наблюдается превращение энергии: Ек Еп .
  6. Пружина достигает максимального растяжения и останавливается. Ек = 0. Еп = max. Это значит, что тело опять способно совершить работу. Ситуация такая же, как и в п.2, только с другой стороны движения. Под действием силы упругости начинается обратное движение шара.

Пройдя обратный путь, шар попадает в положение 2 и все начинается заново. Если бы не существовало сил сопротивления, это движение происходило бы бесконечно. Группа тел в этом случае образовала бы замкнутую систему (систему, когда на движение тел не оказывают влияния силы, не участвующие в движении). Но так бывает лишь в теории.

Проводя многочисленные наблюдения и исследования за превращениями в природе, ученые пришли к выводу:

13

Этот вывод называют законом сохранения энергии. В механике он выглядит так:

14
Источник
 

 

Ветер и вода на службе человека

Наверное, каждый семиклассник слышал эти два слова: «цунами» и «торнадо». Цунами – огромной силы волна, обладающая очень большой высотой, достигающей 30 м. Цунами сносят с берегов целые города. Сметающий все на своем пути ураган, потоки ветра которого образуют гигантскую воронку – торнадо.

15
Цунами                                                                     Торнадо 

Это стихийные бедствия, которые вызваны природными явлениями, обладающими огромным энергетическим потенциалом, неподвластным человеку и не всегда предсказуемы.

И все-таки издавна люди пытались приручить воду и ветер. Чего стоит применение ветра на старинных судах. Здесь ветер подхватывал паруса и нес корабли по волнам в те времена с очень приличной скоростью. Древними греками изобретение паруса ставилось в один ряд с приручением диких животных и освоением свойств огня. Сейчас парусные суда – это хобби, спорт и отдых. Однако в последнее время изобретены новые типы парусов, которые могут водить тяжелые корабли с использованием энергии ветров постоянного направления.

Людьми были придуманы и совсем небольшие приспособления. Так Ньютон еще в молодости придумал очень простое устройство - водяные часы. Стрелка в них соединялась с колесиком, у которого были небольшие деревянные лопасти. На них равномерно падали одинаковые капли воды из сосуда. Вода капала равномерно, так как отверстие в сосуде было маленькое и не давало воде вытекать струей. При падении капли на лопасть колесика, оно совершало резкий небольшой поворот, а стрелка на шаг передвигалась по циферблату. Падение капель было настроено довольно точно. Так энергия падающих капель заставляла двигаться часовой механизм.

Такого рода устройства были каплей в море деятельности человека.

Самыми используемыми были ветряные и водяные мельницы. Обладая кинетической энергией, ветер заставлял вращаться большие крылья мельницы.

Первые ветряные колеса были созданы тысячи лет назад. С помощью несложных передаточных механизмов вращение передавалось устройствам, мелющим зерно в муку (жерновам).

16
Ветряная мельница  

Ветряные колеса нашли применение в откачке воды из больших емкостей, подъеме воды из колодцев.

17
Откачивающее устройство Источник

В основе работы водяных мельниц было колесо с лопастями. На лопасти падала речная вода, лопасти опускались вниз, под тяжестью воды, и приводили колесо в движение. Оно вращало жернова. Позднее на основе водяных мельниц стали появляться механизмы, получающие электроэнергию.

18
Водяная мельница Источник

Водяное колесо легло в основу машины для производства медной проволоки в средние века. Вращающееся под напором воды колесо было соединено с коленообразным воротом, который  приводил в движение одноместные качели. На них сидел рабочий, держащий в руках тиски. Напротив качелей находилась емкость с заготовками для проволоки, отгороженная доской с небольшими отверстиями. Когда качели приближались к доске, рабочий прихватывал тисками часть проволоки, торчащей из отверстия. Качели вместе с рабочим двигались назад, и рабочий тисками вытягивал через маленькие  дырки в доске металлические нити. Доска с отверстиями называлась волочильной. Весь механизм называли волочильной установкой. 

19
Источник

Современные аэро- и гидросооружения широко используются для выработки электрической энергии (изучается по физике 8 – 9 класса), без которой не представить человеческую жизнедеятельность сейчас.

20
Гидроэлектростанция                        Ветряная электростанция  

Человечество потребляет маленькую долю возможностей волн, течений и ветров. Большая часть ветра связана с морскими волнами. В наши дни создаются проекты ветроэнергетики, связанные с морем.

21
Ветряная станция на море  

С 70-х годов прошлого века люди работают над созданием волновых электростанций, расположенных в море. Однако это очень дорогостоящие проекты и пока труднодостижимы. Но вот приливные электростанции, где сила волн используется для превращения механической энергии в электроэнергию, встречаются уже довольно часто.

22
Приливная электростанция 

От первого ветряного паруса до электростанций, использующих силу приливов и отливов, механическая энергия, преобразованная в необходимый вид (электрическую, световую, тепловую), на протяжении многих тысячелетий помогает людям. Обуздать стихийные волны и ветра человек пока еще не может. Это задача будущего.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Сравните кинетическую энергию грузовика и легковой машины, которые движутся со скоростью 70 км / ч.
1Одинакова, так как скорости автомобилей равны
2У грузовика больше, так как его масса больше
3У легковой машины больше, так как она легче грузовика
Ответить
2
Вопрос: 2
Какой энергией обладает лабораторный груз, который лежит на столе?
1По отношению к столу - никакой, по отношению к полу – потенциальной
2Никакой не обладает
3Потенциальной
Ответить
1
Вопрос: 3
Найдите кинетическую энергию микроавтобуса массой 1500 кг, двигающегося со скоростью 72 км/ч
130 кДж
230 000 кДж
3300 Дж
Ответить
1
Вопрос: 4
Потенциальная энергия зависит от:
1Массы тела
2Только от высоты подъема
3От массы и высоты подъема тела
Ответить
3
Вопрос: 5
Какова потенциальная энергия относительно Земли тела, имеющего массу 100 кг, поднятого на высоту 10 м?
110 Дж
210 кДж
3100 Дж
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Сравните кинетическую энергию грузовика и легковой машины, которые движутся со скоростью 70 км / ч.
1) Одинакова, так как скорости автомобилей равны 2) У грузовика больше, так как его масса больше 3) У легковой машины больше, так как она легче грузовика
2 вопрос:

Какой энергией обладает лабораторный груз, который лежит на столе?
1) По отношению к столу - никакой, по отношению к полу – потенциальной 2) Никакой не обладает 3) Потенциальной
3 вопрос:

Найдите кинетическую энергию микроавтобуса массой 1500 кг, двигающегося со скоростью 72 км/ч
1) 30 кДж 2) 30 000 кДж 3) 300 Дж
4 вопрос:

Потенциальная энергия зависит от:
1) Массы тела 2) Только от высоты подъема 3) От массы и высоты подъема тела
5 вопрос:

Какова потенциальная энергия относительно Земли тела, имеющего массу 100 кг, поднятого на высоту 10 м?
1) 10 Дж 2) 10 кДж 3) 100 Дж
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: У грузовика больше, так как его масса больше
2 вопрос: По отношению к столу - никакой, по отношению к полу – потенциальной
3 вопрос: 30 кДж
4 вопрос: От массы и высоты подъема тела
5 вопрос: 10 кДж