Кинетическая и потенциальная энергии. Энергия.

Главная » Кинетическая и потенциальная энергии. Энергия.

Все введенные ранее величины характеризовали только механическое движение. Однако форм движения материи много, постоянно происходит переход от одной формы движения к другой. Необходимо ввести физическую величину, характеризующую движение материи во всех формах её существования, с помощью которой можно было бы количественно сравнивать различные формы движения материи.

Энергия — мера движения материи во всех её формах. Основное свойство всех видов энергии — взаимопревращаемость. Запас энергии, которой обладает тело, определяется той максимальной работой, которую тело может совершать, израсходовав свою энергию полностью. Энергия численно равна максимальной работе, которую тело может совершить, и измеряется в тех же единицах, что и работа. При переходе энергии из одного вида в другой нужно подсчитать энергию тела или системы до и после перехода и взять их разность. Эту разность принято называть работой: .

Т. о., физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу, называется энергией.

Механическая энергия тела может быть обусловлена либо движением тела с некоторой скоростью, либо нахождением тела в потенциальном поле сил.

Кинетическая энергия.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической. Работа, совершенная над телом, равна приращению его кинетической энергии. Найдем эту работу для случая, когда равнодействующая всех приложенных к телу сил равна .

Работа, совершенная телом за счет кинетической энергии, равна убыли этой энергии.

Потенциальная энергия.

Если в каждой точке пространства на тело воздействуют другие тела с силой, величина которой может быть различна в разных точках, говорят, что тело находится в поле сил или силовом поле.

Если линии действия всех этих сил проходят через одну точку — силовой центр поля, — а величина силы зависит только от расстояния до этого центра, то такие силы называются центральными, а поле таких сил — центральным (гравитационное, электрическое поле точечного заряда).

Поле постоянных во времени сил называется стационарным.

Поле, в котором линии действия сил — параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга — однородное.

Все силы в механике подразделяются на консервативные и неконсервативные (или диссипативные).

Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положениями тела в пространстве, называются консервативными.

Работа консервативных сил по замкнутому пути равна нулю. Все центральные силы являются консервативными. Силы упругой деформации также являются консервативными силами. Если в поле действуют только консервативные силы, поле называется потенциальными (гравитационное поле).

Силы, работа которых зависит от формы пути, называются неконсервативными (силы трения).

Потенциальной энергией называют часть общей механической энергии системы, которая определяется только взаимным расположением тел, составляющих систему, и характером сил взаимодействия между ними. Потенциальная энергия — это энергия, которой обладают тела или части тела вследствие их взаимного расположения.

Понятие потенциальной энергии вводится следующим образом. Если тело находится в потенциальном поле сил (например, в гравитационном поле Земли), каждой точке поля можно сопоставить некоторую функцию (называемую потенциальной энергией) так, чтобы работа А 12 , совершаемая над телом силами поля при его перемещении из произвольного положения 1 в другое произвольное положение 2, была равна убыли этой функции на пути 1®2:

где и — значения потенциальной энергии системы в положениях 1 и 2.

Записанное соотношение позволяет определить значение потенциальной энергии с точностью до некоторой неизвестной аддитивной постоянной. Однако, это обстоятельство не имеет никакого значения, т.к. во все соотношения входит только разность потенциальных энергий, соответствующих двум положениям тела. В каждой конкретной задаче уславливаются считать потенциальную энергию какого-то определенного положения тела равной нулю, а энергию других положений брать по отношению к нулевому уровню. Конкретный вид функции зависит от характера силового поля и выбора нулевого уровня. Поскольку нулевой уровень выбирается произвольно, может иметь отрицательные значения. Например, если принять за нуль потенциальную энергию тела, находящегося на поверхности Земли, то в поле сил тяжести вблизи земной поверхности потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью, равна (рис. 5).

где — перемещение тела под действием силы тяжести;

Потенциальная энергия этого же тела, лежащего на дне ямы глубиной H, равна

В рассмотренном примере речь шла о потенциальной энергии системы Земля-тело.

Потенциальной энергией может обладать не только система взаимодействующих тел, но отдельно взятое тело. В этом случае потенциальная энергия зависит от взаимного расположения частей тела.

Выразим потенциальную энергию упруго деформированного тела.

Потенциальная энергия упругой деформации, если принять, что потенциальная энергия недеформированного тела равна нулю; — коэффициент упругости, — деформация тела.

В общем случае тело одновременно может обладать и кинетической, и потенциальной энергиями. Сумма этих энергий называется полной механической энергией тела: .

Полная механическая энергия системы равна сумме её кинетической и потенциальной энергий. Полная энергия системы равна сумме всех видов энергии, которыми обладает система.

Закон сохранения энергии — результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная формулировка дана немецким врачом Майером и естествоиспытателем Гельмгольцем.

Закон сохранения механической энергии : в поле только консервативных сил полная механическая энергия остается постоянной в изолированной системе тел. Наличие диссипативных сил (сил трения) приводит к диссипации (рассеянию) энергии, т.е. превращению её в другие виды энергии и нарушению закона сохранения механической энергии.

Закон сохранения и превращения полной энергии : полная энергия изолированной системы есть величина постоянная.

Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, а лишь превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах. В этом и заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии: неуничтожимость материи и её движения.

Энергия – скалярная величина. В системе СИ единицей измерения энергии является Джоуль.

Кинетическая и потенциальная энергия

Различают два вида энергии – кинетическую и потенциальную.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Кинетическая энергия – это энергия, которой тело обладает вследствие своего движения:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Потенциальная энергия – это энергия, которая определяется взаимным расположением тел, а также характером сил взаимодействия между этими телами.

Потенциальная энергия в поле тяготения Земли – это энергия, обусловленная гравитационным взаимодействием тела с Землей. Она определяется положением тела относительно Земли и равна работе по перемещению тела из данного положения на нулевой уровень:

Потенциальная энергия – энергия, обусловленная взаимодействием частей тела друг с другом. Она равна работе внешних сил по растяжению (сжатию) недеформированной пружины на величину :

Тело может одновременно обладать и кинетической, и потенциальной энергией.

Полная механическая энергия тела или системы тел равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела (системы тел):

Закон сохранения энергии

Для замкнутой системы тел справедлив закон сохранения энергии:

В случае, когда на тело (или систему тел) действуют внешние силы, например, закон сохранения механической энергии не выполняется. В этом случае изменение полной механической энергии тела (системы тел) равно внешних сил:

Закон сохранения энергии позволяет установить количественную связь между различными формами движения материи. Так же, как и , он справедлив не только для , но и для всех явлений природы. Закон сохранения энергии говорит о том, что в энергию в природе нельзя уничтожить так же, как и создать из ничего.

В наиболее общем виде закон сохранения энергии можно сформулировать так:

  • энергия в природе не исчезает и не создается вновь, а только превращается из одного вида в другой.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ЗаданиеПуля, летящая со скоростью 400 м/с, попадает в земляной вал и проходит до остановки 0,5 м. Определить сопротивление вала движению пули, если ее масса 24 г.
РешениеСила сопротивления вала – это внешняя сила, поэтому работа этой силы равна изменению кинетической энергии пули:Так как сила сопротивления вала противоположна направлению движения пули, работа этой силы:Изменение кинетической энергии пули:Таким образом, можно записать:откуда сила сопротивления земляного вала:Переведем единицы в систему СИ: г кг.Вычислим силу сопротивления:
ОтветСила сопротивления вала 3,8 кН.

ПРИМЕР 2

ЗаданиеГруз массой 0,5 кг падает с некоторой высоты на плиту массой 1 кг, укрепленную на пружине с коэффициентом жесткости 980 Н/м. Определить величину наибольшего сжатия пружины, если в момент удара груз обладал скоростью 5 м/с. Удар неупругий.
РешениеЗапишем для замкнутой системы груз+плита. Так как удар неупругий, имеем:откуда скорость плиты с грузом после удара:По закону сохранения энергии полная механическая энергия груза вместе с плитой после удара равна потенциальной энергии сжатой пружины:

Если в замкнутой системе не действуют силы, трения и силы сопротивления, то сумма кинетической и потенциальной энергии всех тел системы остается величиной постоянной .

Рассмотрим пример проявления этого закона. Пусть тело, поднятое над Землей, обладает потенциальной энергией Е 1 = mgh 1 и скоростью v 1 направленной вниз. В результате свободного падения тело переместилось в точку с высотой h 2 (E 2 = mgh 2), при этом скорость его возросла от v 1 до v 2 . Следовательно, его кинетическая энергия возросла от

Запишем уравнение кинематики:

Умножим обе части равенства на mg, получим:

После преобразования получим:

Рассмотрим ограничения, которые были сформулированы в законе сохранения полной механической энергии.

Что же происходит с механической энергией, если в системе действует сила трения?

В реальных процессах, где действуют силы трения, наблюдается отклонение от закона сохранения механической энергии. Например, при падении тела на Землю сначала кинетическая энергия тела возрастает, поскольку увеличивается скорость. Возрастает и сила сопротивления, которая увеличивается с возрастанием скорости. Со временем она будет компенсировать силу тяжести, и в дальнейшем при уменьшении потенциальной энергии относительно Земли кинетическая энергия не возрастает.

Это явление выходит за рамки механики, поскольку работа сил сопротивления приводит к изменению температуры тела. Нагревание тел при действии трения легко обнаружить, потерев ладони друг о друга.

Таким образом, в механике закон сохранения энергии имеет довольно жесткие границы.

Изменение тепловой (или внутренней) энергии возникает в результате работы сил трения или сопротивления. Оно равно изменению механической энергии. Таким образом, сумма полной энергии тел при взаимодействии есть величина постоянная (с учетом преобразования механической энергии во внутреннюю).

Энергия измеряется в тех же единицах, что и работа. В итоге отметим, что изменить механическую энергию можно только одним способом — совершить работу.

Для потенциального силового поля можно ввести понятие о потенциальной энергии как о величине, характеризующей «запас работы», которым обладает материальная точка в данном пункте силового поля. Чтобы сравнивать между собой эти «запасы работы», нужно условиться о выборе нулевой точки О, в которой будем условно считать «запас работы» равным нулю (выбор нулевой точки, как и всякого начала отсчета, производится произвольно). Потенциальной энергией материальной точки в данном положении М называется скалярная величина П, равная той работе, которую произведут силы поля при перемещении точки из положения М в нулевое

Из определения следует, что потенциальная энергия П зависит от координат х, у, z точки М, т. е. что

т. е. потенциальная энергия в любой точке силового поля равна значению силовой функции в этой точке, взятому с обратным знаком.

Отсюда видно, что при рассмотрении всех свойств потенциального силового поля вместо силовой функции можно пользоваться понятием потенциальной энергии. В частности, работу потенциальной силы вместо равенства (57) можно вычислять по формуле

Следовательно, работа потенциальной силы равна разности значений потенциальной энергии движущейся точки в начальном и конечном ее положениях.

Выражения потенциальной энергии для известных нам потенциальных силовых полей можно найти из равенств (59) — (59”), учитывая, что . Таким образом, будет:

1) для поля силы тяжести (ось z вертикально вверх)

2) для поля силы упругости (линейного)

3) для поля силы тяготения

Потенциальная энергия системы определяется так же, как и для одной точки, а именно: потенциальная энергия П механической системы в данном ее положении равна работе, которую произведут силы поля при перемещении системы из данного положения в нулевое,

При наличии нескольких полей (например, полей сил тяжести и сил упругости) для каждого поля можно брать свое нулевое положение.

Зависимость между потенциальной энергией и силовой функцией будет такой же, как и для точки, т. е.

Закон сохранения механической энергии. Допустим, что все действующие на систему внешние и внутренние силы потенциальны. Тогда

Подставляя это выражение работы в уравнение (50), получим для любого положения системы: или

Следовательно, при движении под действием потенциальных сил сумма кинетической и потенциальной энергий системы в каждом ее положении остается величиной постоянной. В этом и состоит закон сохранения механической энергии, являющийся частным случаем общего физического закона сохранения энергии.

Величина называется полной механической энергией системы, а сама механическая система, для которой выполняется закон консервативной системой.

Пример. Рассмотрим маятник (рис. 320), отклоненный от вертикали на угол и отпущенный без начальной скорости. Тогда в начальном его положении , где Р — вес маятника; z — координата его центра тяжести. Следовательно, если пренебречь всеми сопротивлениями, то в любом другом положении будет или

Таким образом, выше положения центр тяжести маятника подняться не может. При опускании маятника его потенциальная энергия убывает, а кинетическая растет, при подъеме, наоборот, потенциальная энергия растет, а кинетическая убывает.

Из составленного уравнения следует, что

Таким образом, угловая скорость маятника в любой момент времени зависит только от положения, занимаемого его центром тяжести, и в данном положении всегда принимает одно и то же значение. Такого рода зависимости имеют место только при движении под действием потенциальных сил.

Диссипативные системы. Рассмотрим механическую систему, на которую кроме потенциальных сил действуют неизбежные в земных условиях силы сопротивления (сопротивление среды, внешнее и внутреннее трение). Тогда из уравнения (50) получим: или

где — работа сил сопротивления. Так как силы сопротивления направлены против движения, то величина всегда отрицательная Следовательно, при движении рассматриваемой механической системы происходит убывание или, как говорят, диссипация (рассеивание) механической энергии. Силы, вызывающие эту диссипацию, называют диссипативными силами, а механическую систему, в которой происходит диссипация энергии, — диссипативной системой.

Например, у рассмотренного выше маятника (рис. 320) благодаря трению в оси и сопротивлению воздуха механическая энергия будет) со временем убывать, а его колебания будут затухать; это диссипативная система.

Полученные результаты не противоречат общему закону сохранения энергии, так как теряемая диссипативной системой механическая энергия переходит в другие формы энергии, например в теплоту.

Однако и при наличии сил сопротивления механическая система может не быть диссипативной, если теряемая энергия компенсируется притоком энергии извне. Например, отдельно взятый маятник, как мы видели, будет диссипативной системой. Но у маятника часов потеря энергии компенсируется периодическим притоком энергии извне за счет опускающихся гирь или заводной пружины, и маятник будет совершать незатухающие колебания, называемые автоколебаниями.

От вынужденных колебаний (см. § 96) автоколебания отличаются тем, что они происходят не под действием зависящей от времени возмущающей силы и что их амплитуда, частота и период определяются свойствами самой системы (у вынужденных колебаний амплитуда, частота и период зависят от возмущающей силы).

Описание презентации по отдельным слайдам:

1 слайд

Описание слайда:

Сформулируйте определение работы? Какой буквой обозначается? В каких единицах измеряется? При каких условиях работа силы положительная? отрицательная? равна нулю? Какие силы называются потенциальными? Приведите примеры? Чему равна работа, совершаемая силой тяжести? Силой упругости? Дайте определение мощности. В каких единицах измеряется мощность? ЗАДАНИЯ ДЛЯ УСТНОГО ОПРОСА:

2 слайд

Описание слайда:

ЗАДАНИЯ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА: 1.Автомобиль массой 1000 кг, двигаясь равноускоренно из состояния покоя, за 10 с отъезжает на 200 м. Определите работу силы тяги, если коэффициент трения равен 0,05. Ответ:900 кДж 2. Трактор при вспашке преодолевает силу сопротивления 8 кН, развивая мощность 40 кВТ. С какой скоростью движется трактор? Ответ:5 м/с 3. Тело движется вдоль оси ОХ под действием силы зависимость проекции которой от координаты представлена на рисунке. Чему равна работа силы на пути 4м

3 слайд

Описание слайда:

Тема: Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии. Применение законов сохранения Цели занятия: Образовательная: ознакомится с понятием энергии; изучить два вида механической энергии – потенциальную и кинетическую; рассмотреть закон сохранения энергии; развить навыки решения задач. Развивающая: содействовать развитию речи, учить анализировать, сравнивать, способствовать развитию памяти, логического мышления. Воспитательная: помощь в самоактуализации и самореализации в учебном процессе и будущий профессиональной деятельности ПЛАН ЛЕКЦИИ 1.Механическая энергия 2.Кинетическая энергия 3.Потенциальная энергия 4.Закон сохранения энергии (видеодемонстрация) 5.Применение закона сохранения энергии

4 слайд

Описание слайда:

1.Механическая энергия Механическая работа (А) – это физическая величина, равная произведению модуля действующей силы на путь, пройденный телом под действием силы и на косинус угла между ними А=F·S·cosα Единица измерения работы в системе СИ – Дж (Джоуль) 1Дж=1Н·м.

5 слайд

Описание слайда:

Работа совершается в том случае, если тело движется под действием силы!!! Рассмотрим несколько примеров.

6 слайд

Описание слайда:

Про тела, которые могут совершить работу, говорят, что они обладают энергией. Энергия – это физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу Единица измерения энергии в системе СИ – (Дж). Обозначается буквой (Е)

7 слайд

Описание слайда:

2. Кинетическая энергия Как энергия тела зависит от его скорости? Для этого рассмотрим движение тела некоторой массы m под действием постоянной силы (это может быть одна сила или равнодействующая нескольких сил), направленной вдоль перемещения.

8 слайд

Описание слайда:

Эта сила совершает работу А=F·S Cогласно второму закону Ньютона F=m·a Ускорение тела

9 слайд

Описание слайда:

Тогда, Полученная формула связывает работу результирующей силы, действующей на тело, с изменением величины Кинетическая энергия тела – это энергия движения. Кинетическая энергия тела – величина скалярная, которая зависит от модуля скорости тела, но не зависит от ее направления. Тогда, работа равнодействующей всех сил, действующих на тело, равна изменению кинетической энергии тела.

10 слайд

Описание слайда:

Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии. Она справедлива независимо от того, какие силы действуют на тело: сила упругости, сила трения или сила тяжести. А работу, необходимую для разгона пули, совершает сила давления пороховых газов. Так, например, при метании копья, работу совершает мускульная сила человека.

11 слайд

Описание слайда:

Так, например, кинетическая энергия мальчика, покоящего относительно катера, равна нулю в системе отсчета, связанной с катером, и отлична от нуля, в системе отсчета, связанной с берегом.

12 слайд

Описание слайда:

3. Потенциальная энергия Вторым видом механической энергии, является потенциальная энергия тела. Термин «потенциальная энергия» был введен в 19 веке шотландским инженером и физиком Уильямом Джоном Ренкином. Ренкин, Уильям Джон Потенциальная энергия – это энергия системы, определяемая взаимным расположением тел (или частей тела друг относительно друга) и характером сил взаимодействия между ними

13 слайд

Описание слайда:

Величину, равную произведению массы тела, ускорения свободного падения и высоты тела над нулевым уровнем, называют потенциальной энергией тела в гравитационном поле Работа силы тяжести равна убыли потенциальной энергии тела в гравитационном поле Земли.

14 слайд

Описание слайда:

При изменении величины деформации сила упругости совершает работу, которая зависит от удлинения пружины в начальном и конечном положении В правой части равенства стоит изменение величины со знаком «минус». Поэтому, как и в случае силы тяжести, величина Таким образом, работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии упруго деформированного тела, взятому с противоположным знаком.

15 слайд

Описание слайда:

4. Закон сохранения энергии Тела могут одновременно обладать и кинетической, и потенциальной энергией. Так вот, сумму кинетической и потенциальной энергии тела называют полной механической энергией тела или просто механической энергией. Можно ли изменить механическую энергию системы и, если можно, то как?

16 слайд

Описание слайда:

Рассмотрим замкнутую систему «кубик – наклонная плоскость – Земля» Согласно теореме о кинетической энергии, изменение кинетической энергии кубика равно работе всех сил, действующих на тело.

17 слайд

Описание слайда:

Тогда получаем, что увеличение кинетической энергии кубика происходит за счет убыли его потенциальной энергии. Следовательно, сумма изменений кинетической и потенциальной энергий тела равна нулю. А это значит, что полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения, остается постоянной. (Такой же результат можно получить и при действии силы упругости.) Это утверждение и есть закон сохранения энергии в механике.

18 слайд

Описание слайда:

19 слайд

Описание слайда:

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» — машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

20 слайд

Описание слайда:

ЗАДАЧИ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ЗНАНИЙ Пуля массой 20 г выпущена под углом 600 к горизонту с начальной скоростью 600 м/с. Определите кинетическую энергию пули в момент наивысшего подъема. Пружина удерживает дверь. Для того чтобы приоткрыть дверь, растянув пружину на 3 см, нужно приложить силу равную 60 Н. Для того, чтобы открыть дверь, нужно растянуть пружину на 8 см. Какую работу необходимо совершить, чтобы открыть закрытую дверь? Камень брошен с поверхности Земли вертикально вверх со скоростью 10 м/с. На какой высоте кинетическая энергия камня уменьшится в 5 раз по сравнению с начальной кинетической энергией

21 слайд

Описание слайда:

По горизонтали. 1. Единица энергии в системе СИ. 4. Тело — классический пример для описания реактивного движения. 5. Физическая величина, равная работе, выполненной в единицу времени. 7. Свойство системы, необходимое для сохранения импульса или энергии. 9. Значение слово «импульс» в переводе с латинского языка. 12. Общее свойство ряда величин, суть которого — неизменность величины во времени в замкнутой системе. 13. Единица мощности в системе СИ. По вертикали. 2. Состояние системы, в котором потенциальная энергия равна нулю есть нулевой… . 3. Общее свойство для потенциальной и кинетической энергии, выражающее их зависимость от выбора тела отсчета. 4. Физическая величина, равная произведению проекции силы на направление перемещения и модуля перемещения. 6. Физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость. 8. Величина, которая совпадает по направлению с импульсом тела. 9. Утверждение, суть которого в том, что изменение кинетической энергии равно работе равнодействующей всех сил, приложенных к телу. 10. Одна из величин, от которой зависит изменение импульса тела. 11. Величина, характеризующая способность тела (системы) выполнить работу.

Поделиться:

Оставьте комментарий

три × четыре =