Энергия физика 10 класс: Урок по физике 10 класс «Энергия. Закон сохранения энергии»

Физика Энергия. Кинетическая энергия и её изменение

Материалы к уроку

Конспект урока

Для совершения работы необходимо, чтобы на движущееся тело действовала та или иная сила.  Тепловые двигатели обеспечивают действие силы до тех пор, пока не кончится топливо, электродвигатель — до тех пор, пока к нему подводится ток. Однако эти двигатели достаточно сложны.
Рассмотрим более простые системы движущихся тел, которые взаимодействуют между собой посредством сил тяготения и способны в той или иной мере деформироваться. Например, такие тела, как пружина или резиновый шнур, деформируются значительно. Каменные, деревянные, металлические тела деформируются так незначительно, что их деформациями обычно можно пренебречь. Будем считать, что никаких химических превращений тел не происходит, и что в системе нет заряженных тел и электрических токов. Можно заметить, что поднятые над землей грузы, а также системы, имеющие сжатые пружины, способны действовать на движущееся тело и совершать работу. Но способность таких тел совершать работу сохраняется лишь в течение определенного промежутка времени. 

Растянутая пружина, сжимаясь, совершает работу, например, закрывает дверь. Эту работу пружина может совершать только в растянутом состоянии. Как только пружина сожмется до первоначального состояния, силы перестанут совершать работу.
На поднятый на какую-то высоту груз, действуют силы тяготения. Эти силы могут совершить работу – переместить груз вниз. Эта работа может быть совершена только в течение небольшого промежутка времени. Рано или поздно груз опустится на землю и силы перестанут совершать работу.
Совершение работы не проходит для системы тел бесследно. Рассмотрим, например, часы с пружинным заводом. При заводе часов состояние системы (часового механизма) меняется так, что она приобретает способность совершать работу в течение длительного времени. Пружина поддерживает движение всех колес, стрелок и маятника, испытывающих сопротивление движению, вызванное трением. По мере хода часов способность пружины совершать работу постепенно утрачивается. Состояние пружины меняется.
Подобным образом при совершении работы меняется состояние сжатого газа и скоростей движущихся тел.
Совершая механическую работу, тело или система тел переходят из одного состояния в другое, в котором их энергия минимальна. Растянутая пружина на двери распрямляется – дверь перестает двигаться. Чугунная баба копра опускается и останавливается. Пружина часов распрямляется – стрелки часов останавливаются. При совершении работы энергия постепенно расходуется. Для того чтобы система опять приобрела способность совершать работу, надо изменить ее состояние: растянуть пружину на двери, поднять бабу копра вверх,  завертеть пружину часов. Для этого внешние силы должны совершить над системой положительную работу.
Энергия характеризует способность тела или системы тел совершать работу.
Энергия в механике  –  величина, определяемая состоянием системы — положением тел и их скоростями; изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил.
В механике состояние системы определяется положением тел и их скоростями. Сначала выясним, как энергия тел зависит от их скоростей.
Подсчитаем работу постоянной силы, действующей на тело с определенной массой  при его прямолинейном движении. Пусть направление силы совпадает с направлением скорости тела. В этом случае направления вектора   перемещения  и   вектора  
силы  совпадают.  Поэтому работа силы  равна произведению модуля вектора силы на модуль перемещения тела.
Выберем координатную ось ОХ так, чтобы векторы силы начальной скорости, конечной скорости и перемещения были направлены в сторону положительного направления этой оси.
Тогда изменение вектора перемещения будет равно изменению координаты Х, и формулу для работы можно записать так: работа, совершаемая силой, равна произведению модуля вектора силы на изменение координаты тела.  
Так как точка движется с постоянным ускорением, то изменение ее координаты  при переходе из начального положения в конечное можно найти по известной нам из кинематики формуле: изменение координаты тела равно сумме произведения вектора начальной скорости на время и полупроизведению вектора ускорения на квадрат скорости или отношению разности квадратов конечной и начальной скоростей к удвоенному вектору ускорения.
Подставляя эту формулу в формулу работы и учитывая второй закон Ньютона, получим: работа равна произведению массы тела на его ускорение и на отношение разности квадратов конечной и начальной скоростей к удвоенному вектору ускорения. Проведя некоторые математические преобразования, получаем, что работа равна разности двух величин: полупроизведения массы тела на квадрат его конечной скорости и полупроизведения массы тела на квадрат его начальной скорости, то есть изменению полупроизведения массы тела и квадрата его скорости.
Эта формула, выведенная для случая прямолинейного  движения тела, на которое действует постоянная сила, справедлива и в тех случаях, когда на тело действует переменная сила и оно движется по криволинейной траектории.
Величина, равная полупроизведению массы тела на квадрат его скорости  представляет собой энергию, которую имеет тело, движущееся с конкретной скоростью. Эту энергию называют кинетической, от греческого слова «кинема» — движение.
Кинетическая энергия тела равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости.
Энергия измеряется в тех же единицах, что и работа, в джоулях.
Полученную нами формулу работы можно записать так: работа равна изменению кинетической энергии. Это равенство выражает теорему об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии тела (материальной точки) за некоторый промежуток времени равно работе, совершенной за то же время силой, действующей на тело. 
Если на тело действует несколько сил, то изменение его кинетической энергии равно сумме работ всех сил, действующих на тело.
Кинетическая энергия тел зависит только от их масс и скоростей. Полная механическая энергия системы зависит от скоростей тел и расстояний между ними. Для того чтобы вычислить ту часть энергии, которая зависит от расстояний между телами, нужно предварительно рассмотреть вопрос о работе силы тяжести и силы упругости.
Движущееся тело обладает кинетической энергией. Эта энергия равна работе, которую надо совершить, чтобы увеличить скорость тела от нуля до определенного значения.

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

• Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам

• Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки

• Повысим успеваемость по школьным предметам

• Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Закон сохранения механической энергии — определение и формулы

Энергия: что это такое

Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

Практикующий детский психолог Екатерина Мурашова

Бесплатный курс для современных мам и пап от Екатерины Мурашовой. Запишитесь и участвуйте в розыгрыше 8 уроков

Механическая энергия

Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим 😂), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

Кинетическая энергия

Еще разок: кинетическая энергия — это энергия действия. Величина, которая очевиднее всего характеризует действие — это скорость. Соответственно, в формуле кинетической энергии точно должна присутствовать скорость.

Кинетическая энергия Ек — кинетическая энергия [Дж] m — масса тела [кг] v — скорость [м/с]

Чем быстрее движется тело, тем больше его кинетическая энергия.

И наоборот — чем медленнее, тем меньше кинетическая энергия.

Задачка раз

Определить кинетическую энергию собаченьки массой 10 кг, если она бежала за мячом с постоянной скоростью 2 м/с.

Решение:

Формула кинетической энергии

Подставляем значения

Дж

Ответ: кинетическая энергия пёсы равна 20 Дж.

Задачка два

Найти скорость бегущего по опушке гнома, если его масса равна 20 кг, а его кинетическая энергия — 40 Дж

Решение:

Формула кинетической энергии

Выразим скорость:

Подставляем значения

Ответ:

гном бежал со скоростью 2 м/с.

Онлайн-уроки физики в Skysmart не менее увлекательны, чем наши статьи!

Потенциальная энергия

В отличие от кинетической энергии, потенциальная чаще всего тем меньше, чем скорость больше. Потенциальная энергия — это энергия ожидания действия.

Например, потенциальная энергия у сжатой пружины будет очень велика, потому что такая конструкция может привести к действию, а следовательно — к увеличению кинетической энергии. То же самое происходит, если тело поднять на высоту. Чем выше мы поднимаем тело, тем больше его потенциальная энергия.

Потенциальная энергия деформированной пружины Еп — потенциальная энергия [Дж] k — жесткость [Н/м] x — удлинение пружины [м]

Потенциальная энергия в поле тяжести Еп = mgh Еп — потенциальная энергия [Дж] m — масса тела [кг] g — ускорение свободного падения [м/с2] h — высота [м] На планете Земля g ≃ 9,8 м/с2

Задачка раз

Найти потенциальную энергию рака массой 0,1 кг, который свистит на горе высотой 2500 метров. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с².

Решение:

Формула потенциальной энергии Е_п = mgh

Подставляем значения

E_п = 0,1 · 9,8 · 2500 = 2450 Дж

Ответ: потенциальная энергия рака, свистящего на горе, равна 2450 Дж.

Задачка два

Найти высоту горки, с которой собирается скатиться лыжник массой 65 кг, если его потенциальная энергия равна 637 кДж. Ускорение свободного падения считать равным 9,8 м/с².

Решение:

Формула потенциальной энергии Е_п = mgh

Выразим высоту:

Переведем 637 кДж в Джоули.

637 кДж = 637000 Дж

Подставляем значения

м

Ответ: высота горы равна 1000 метров.

Задачка три

Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E₁ и E₂. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

Решение:

Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

По условию задачи

m₁ = m

h₁ = 2h

m₂ = 2m

h₂ = h

Таким образом, получим, что

E₁ = mg2h = 2mgh,

а E₂ = 2mgh,

то есть E₁ = E₂.

Ответ: E₁ = E₂.

Закон сохранения энергии

В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

Закон сохранения энергии Полная механическая энергия замкнутой системы остается постоянной.

Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

Закон сохранения энергии Еполн. мех. = Еп + Eк = const Еполн. мех. — полная механическая энергия системы [Дж] Еп — потенциальная энергия [Дж] Ек — кинетическая энергия [Дж] const — постоянная величина

Задачка раз

Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Как изменится высота подъёма мяча при увеличении начальной скорости мяча в 2 раза?

Решение:

Должен выполняться закон сохранения энергии:

В начальный момент времени высота равна нулю, значит Е_п = 0. В этот же момент времени Е_к максимальна.

В конечный момент времени все наоборот — кинетическая энергия равна нулю, так как мяч уже не может лететь выше, а вот потенциальная максимальна, так как мяч докинули до максимальной высоты.

Это можно описать соотношением:

Е_п1 + Е_к1 = Е_п2 + Е_к2

0 + Е_к1 = Е_п2 + 0

Е_к1 = Е_п2

Разделим на массу левую и правую часть

Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

Ответ: высота увеличится в 4 раза

Задачка два

Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v₀, поднялось на максимальную высоту h₀. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

Решение

По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Е_мех = Е_п = mgh₀.

Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Е_мех = mgh₀.

Ответ: Е_мех = mgh₀.

Задачка три

Мяч массой 100 г бросили вертикально вверх с поверхности земли с начальной скоростью 6 м/с. На какой высоте относительно земли мяч имел скорость 2 м/с? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Решение:

Переведем массу из граммов в килограммы:

m = 100 г = 0,1 кг

У поверхности земли полная механическая энергия мяча равна его кинетической энергии:

Дж

На высоте h потенциальная энергия мяча есть разность полной механической энергии и кинетической энергии:

Дж

м

Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

Переход механической энергии во внутреннюю

Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

Задачка

Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

Решение:

В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Е_мех = Е_к.

В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Е_мех/2 = Е_к/2

Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Е_полн = Е_мех/2 + Е_внутр

Е_мех = Е_мех/2 + Е_внутр

Е_мех/2 = Е_внутр

Е_внутр = Е_к/2

Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

Закон сохранения энергии в тепловых процессах

Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

Вот что сформулировал Фурье:

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие без участия внешних сил тепловые процессы необратимы.

Дальше Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

Закон сохранения энергии в тепловых процессах При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом, равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом.

Математически его можно описать так:

Уравнение теплового баланса Qотд = Qпол Qотд — отданное системой количество теплоты [Дж] Qпол — полученное системой количество теплоты [Дж]

Данное равенство называется уравнением теплового баланса. В реальных опытах обычно получается, что отданное более нагретым телом количество теплоты больше количества теплоты, полученного менее нагретым телом:

Это объясняется тем, что некоторое количество теплоты при теплообмене передаётся окружающему воздуху, а ещё часть — сосуду, в котором происходит теплообмен.

Чтобы разобраться в задачках, читайте нашу статью про агрегатные состояния вещества.

Задачка раз

Сколько граммов спирта нужно сжечь в спиртовке, чтобы нагреть на ней воду массой 580 г на 80 °С, если учесть, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

Удельная теплота сгорания спирта 2,9 · 10₇ Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг · °С).

Решение:

При нагревании тело получает количество теплоты

Q = cmΔt ,

где c — удельная теплоемкость вещества

При сгорании тела выделяется энергия

Q_сгор = q · m_сгор,

где q — удельная теплота сгорания топлива

По условию задачи нам известно, что на нагревание воды пошло 20% энергии, полученной при горении спирта.

То есть:

Ответ: масса сгоревшего топлива равна 33,6 г.

Задачка два

Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг · ℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3 · 10⁵ Дж/кг.

Решение:

Для нагревания льда до температуры плавления необходимо:

Q_нагрев = cmΔt

Q_нагрев = 2100 · 0,5 · (10 − 0) = 10 500 Дж

Для превращения льда в воду:

Q_пл = λm

Q_пл = 3,3 · 10⁵ · 0,5 = 165 000 Дж

Таким образом, для превращения необходимо затратить:

Q = Q_нагрев + Q_пл = 10 500 + 165 000 = 175 500 Дж = 175,5 кДж

Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.

22.3 Кинетическая энергия | Механическая энергия

Предыдущий 22.2 Потенциальная энергия

Следующий 22.4 Механическая энергия

22.3 Кинетическая энергия (ESAHL) 9{-1}$}\).

Иногда кинетическая энергия может быть записана как KE. Это просто другой способ записи кинетической энергии. Мы будем не используйте эту форму в этой книге, но вы можете увидеть ее в других книгах.

Рассмотрим чемодан \(\text{1}\) \(\text{kg}\) в шкафу, о котором говорилось ранее. Когда он находится на верхней части шкафа, у него не будет кинетической энергии, потому что он не движется:

\начать{выравнивать*} {E}_{K} & = \frac{1}{2}m{v}^{2} \\ & = \frac{1}{2}\left(\text{1}\text{kg}\right){\left(\text{0}\text{м·с$^{-1}$}\ справа)}^{2} = \text{0}\text{J} \конец{выравнивание*} 9{-1}$}\). Чему равна кинетическая энергия кирпича, когда он начинает падать и когда достигает земли?

Проанализируйте вопрос, чтобы определить, какая информация предоставляется.

Оба значения указаны в правильных единицах, поэтому нам не нужно беспокоиться о преобразовании единиц измерения.

Проанализируйте вопрос, чтобы определить, о чем идет речь.

Нас просят найти кинетическую энергию кирпича сверху и снизу. Из определения мы знаем что для решения \({E}_{K}\) нам нужно знать массу и скорость объекта, и нам даны оба эти значения. 9{-1}$}\) в сторону крааля. Овца имеет массу \(\text{80}\) \(\text{kg}\), а ягненок имеет массу \(\text{25}\) \(\text{кг}\). Вычислите кинетическую энергию каждой овцы и ягненка.

Проанализируйте вопрос, чтобы определить, какая информация предоставляется

• масса овцы-матери равна \(\text{80}\) \(\text{кг}\)

• масса барашка \(\text{25}\) \(\text{кг}\) 9{-1}$}\). Вычислите его кинетическую энергию.

  Проанализируйте вопрос, чтобы определить, какая информация предоставляется

  • Нам известна масса пули m = \(\text{150}\) \(\text{g}\). Это не та единица, которую нам нужна масса чтобы быть внутри. Нам нужно преобразовать в \(\text{kg}\).

    \начать{выравнивать*} \text{Масса в граммах } ÷ 1000 & = \text{Масса в кг} \\ \text{150}\text{ г} ÷ 1000 & = \text{0,150}\text{ кг} \конец{выравнивание*} 9{2} \\ & = \text{69 120}\text{J} \конец{выравнивание*}

    Кинетическая энергия

    Учебник Упражнение 22.2

    Описать взаимосвязь между кинетической энергией объекта и его:

    1. масса и

    2. скорость

    Решение пока недоступно

    Камень массой \(\text{100}\) \(\text{g}\) подброшен в воздух. {-1}$}\). Рассчитайте его кинетическую энергию: 9{-1}$}\). Вычислите кинетическую энергию автомобиля.

    Решение пока недоступно

    Предыдущий 22.2 Потенциальная энергия

    Оглавление

    Следующий 22.4 Механическая энергия

    Карточки по физике для 10 класса — Cram.com

    Похожие карточки

    Пожалуйста, войдите, чтобы добавить в папки.

    Войти

    Вы создали 2 папки. Пожалуйста, обновитесь до Cram Premium, чтобы создавать сотни папок!

    Обновление

    • Перемешать

      Включить

      Выключить

    • Алфавит

      Включить

      Выключить

    • Передний Первый

      Включить

      Выключить

    • Обе стороны

      Включить

      Выключить

    • Читать

      Включить

      Выключить

    Чтение.

    No related posts.