Данный видеоурок предназначен для самостоятельного ознакомления с темой «Закон сохранения механической энергии». Вначале дадим определение полной энергии и замкнутой системы. Затем сформулируем Закон сохранения механической энергии и рассмотрим, в каких областях физики можно его применять. Также мы дадим определение работы и научимся её определять, рассмотрев связанные с ней формулы.
Темой урока является один из фундаментальных законов природы - закон сохранения механической энергии .
Мы ранее говорили о потенциальной и кинетической энергии, а также о том, что тело может обладать вместе и потенциальной, и кинетической энергией. Прежде чем говорить о законе сохранения механической энергии вспомним, что такое полная энергия. Полной механической энергией называют сумму потенциальной и кинетической энергий тела.
Также вспомним, что называют замкнутой системой. Замкнутая система - это такая система, в которой находится строго определенное количество взаимодействующих между собой тел и никакие другие тела извне на эту систему не действуют.
Когда мы определились с понятием полной энергии и замкнутой системы, можно говорить о законе сохранения механической энергии. Итак, полная механическая энергия в замкнутой системе тел, взаимодействующих друг с другом посредством сил тяготения или сил упругости (консервативных сил), остается неизменной при любом движении этих тел.
Мы уже изучали закон сохранения импульса (ЗСИ):
Очень часто случается так, что поставленные задачи можно решить только с помощью законов сохранения энергии и импульса.
Рассмотреть сохранение энергии удобно на примере свободного падения тела с некоторой высоты. Если некоторое тело находится в состоянии покоя на некоторой высоте относительно земли, то это тело обладает потенциальной энергией. Как только тело начинает свое движение, высота тела уменьшается, уменьшается и потенциальная энергия. При этом начинает нарастать скорость, появляется энергия кинетическая. Когда тело приблизилось к земле, то высота тела равна 0, потенциальная энергия тоже равна 0, а максимальной будет являться кинетическая энергия тела. Вот здесь и просматривается превращение потенциальной энергии в кинетическую (рис. 1). То же самое можно сказать о движении тела наоборот, снизу вверх, когда тело бросают вертикально вверх.
Рис. 1. Свободное падение тела с некоторой высоты
Дополнительная задача 1. «О падении тела с некоторой высоты»
Задача 1
Условие
Тело находится на высоте от поверхности Земли и начинает свободно падать. Определите скорость тела в момент соприкосновения с землей.
Решение 1:
Начальная скорость тела . Нужно найти .
Рассмотрим закон сохранения энергии.
Рис. 2. Движение тела (задача 1)
В верхней точке тело обладает только потенциальной энергией: . Когда тело приблизится к земле, то высота тела над землей будет равна 0, а это означает, что потенциальная энергия у тела исчезла, она превратилась в кинетическую:
Согласно закону сохранения энергии можем записать:
Масса тела сокращается. Преобразуя указанное уравнение, получаем: .
Окончательный ответ будет: . Если подставить все значение, то получим:.
Ответ: .
Пример оформления решения задачи:
Рис. 3. Пример оформления решения задачи № 1
Данную задачу можно решить еще одним способом, как движение по вертикали с ускорением свободного падения.
Решение 2 :
Запишем уравнение движения тела в проекции на ось :
Когда тело приблизится к поверхности Земли, его координата будет равна 0:
Перед ускорением свободного падения стоит знак «-», поскольку оно направлено против выбранной оси .
Подставив известные величины, получаем, что тело падало на протяжении времени . Теперь запишем уравнение для скорости:
Полагая ускорение свободного падения равным получаем:
Знак минус означает, что тело движется против направления выбранной оси.
Ответ: .
Пример оформления решения задачи № 1 вторым способом.
Рис. 4. Пример оформления решения задачи № 1 (способ 2)
Также для решения данной задачи можно было воспользоваться формулой, которая не зависит от времени:
Конечно, нужно отметить, что данный пример мы рассмотрели с учетом отсутствия сил трения, которые в реальности действуют в любой системе. Обратимся к формулам и посмотрим, как записывается закон сохранения механической энергии:
Дополнительная задача 2
Тело свободно падает с высоты . Определите, на какой высоте кинетическая энергия равна трети потенциальной ().
Рис. 5. Иллюстрация к задаче № 2
Решение:
Когда тело находится на высоте , оно обладает потенциальной энергией, и только потенциальной. Эта энергия определяется формулой: 
.
Это и будет полная энергия тела.
Когда тело начинает двигаться вниз, уменьшается потенциальная энергия, но вместе с тем нарастает кинетическая. На высоте, которую нужно определить, у тела уже будет некоторая скорость V. Для точки, соответствующей высоте h, кинетическая энергия имеет вид:
Потенциальная энергия на этой высоте будет обозначена следующим образом: 
.
По закону сохранения энергии, у нас полная энергия сохраняется. Эта энергия 
остается величиной постоянной. Для точки мы можем записать следующее соотношение: (по З.С.Э.).
Вспоминая, что кинетическая энергия по условию задачи составляет , можем записать следующее: .
Обратите внимание: масса и ускорение свободного падения сокращается, после несложных преобразований мы получаем, что высота, на которой такое соотношение выполняется, составляет .
Ответ:
Пример оформления задачи 2.
Рис. 6. Оформление решения задачи № 2
Представьте себе, что тело в некоторой системе отсчета обладает кинетической и потенциальной энергией. Если система замкнутая, то при каком-либо изменении произошло перераспределение, превращение одного вида энергии в другой, но полная энергия остается по своему значению той же самой (рис. 7).
Рис. 7. Закон сохранения энергии
Представьте себе ситуацию, когда по горизонтальной дороге движется автомобиль. Водитель выключает мотор и продолжает движение уже с выключенным мотором. Что в этом случае происходит (рис. 8)?
Рис. 8. Движение автомобиля
В данном случае автомобиль обладает кинетической энергией. Но вы прекрасно знаете, что с течением времени автомобиль остановится. Куда девалась в этом случае энергия? Ведь потенциальная энергия тела в данном случае тоже не изменилась, она была какой-то постоянной величиной относительно Земли. Как произошло изменение энергии? В данном случае энергия пошла на преодоление сил трения. Если в системе встречается трение, то оно также влияет на энергию этой системы. Посмотрим, как записывается в данном случае изменение энергии.
Изменяется энергия, и это изменение энергии определяется работой против силы трения. Определить работу силы трения мы можем с помощью формулы, которая известна из 7 класса (сила и перемещение направлены противоположно):
Итак, когда мы говорим об энергии и работе, то должны понимать, что каждый раз мы должны учитывать и то, что часть энергии расходуется на преодоление сил трения. Совершается работа по преодолению сил трения. Работа является величиной, которая характеризует изменение энергии тела.
В заключение урока хотелось бы сказать, что работа и энергия по сути своей связанные величины через действующие силы.
Дополнительная задача 3
Два тела - брусок массой и пластилиновый шарик массой - движутся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями (). После столкновения пластилиновый шарик прилип к бруску, два тела продолжают движение вместе. Определить, какая часть механической энергии превратилась во внутреннюю энергию этих тел, с учетом того что масса бруска в 3 раза больше массы пластилинового шарика ().
Решение:
Изменение внутренней энергии можно обозначить . Как вы знаете, существует несколько видов энергии. Кроме механической, существует еще и тепловая, внутренняя энергия.
Данный видеоурок предназначен для самостоятельного ознакомления с темой «Закон сохранения механической энергии». Вначале дадим определение полной энергии и замкнутой системы. Затем сформулируем Закон сохранения механической энергии и рассмотрим, в каких областях физики можно его применять. Также мы дадим определение работы и научимся её определять, рассмотрев связанные с ней формулы.
Темой урока является один из фундаментальных законов природы - закон сохранения механической энергии .
Мы ранее говорили о потенциальной и кинетической энергии, а также о том, что тело может обладать вместе и потенциальной, и кинетической энергией. Прежде чем говорить о законе сохранения механической энергии вспомним, что такое полная энергия. Полной механической энергией называют сумму потенциальной и кинетической энергий тела.
Также вспомним, что называют замкнутой системой. Замкнутая система - это такая система, в которой находится строго определенное количество взаимодействующих между собой тел и никакие другие тела извне на эту систему не действуют.
Когда мы определились с понятием полной энергии и замкнутой системы, можно говорить о законе сохранения механической энергии. Итак, полная механическая энергия в замкнутой системе тел, взаимодействующих друг с другом посредством сил тяготения или сил упругости (консервативных сил), остается неизменной при любом движении этих тел.
Мы уже изучали закон сохранения импульса (ЗСИ):
Очень часто случается так, что поставленные задачи можно решить только с помощью законов сохранения энергии и импульса.
Рассмотреть сохранение энергии удобно на примере свободного падения тела с некоторой высоты. Если некоторое тело находится в состоянии покоя на некоторой высоте относительно земли, то это тело обладает потенциальной энергией. Как только тело начинает свое движение, высота тела уменьшается, уменьшается и потенциальная энергия. При этом начинает нарастать скорость, появляется энергия кинетическая. Когда тело приблизилось к земле, то высота тела равна 0, потенциальная энергия тоже равна 0, а максимальной будет являться кинетическая энергия тела. Вот здесь и просматривается превращение потенциальной энергии в кинетическую (рис. 1). То же самое можно сказать о движении тела наоборот, снизу вверх, когда тело бросают вертикально вверх.
Рис. 1. Свободное падение тела с некоторой высоты
Дополнительная задача 1. «О падении тела с некоторой высоты»
Задача 1
Условие
Тело находится на высоте от поверхности Земли и начинает свободно падать. Определите скорость тела в момент соприкосновения с землей.
Решение 1:
Начальная скорость тела . Нужно найти .
Рассмотрим закон сохранения энергии.
Рис. 2. Движение тела (задача 1)
В верхней точке тело обладает только потенциальной энергией: . Когда тело приблизится к земле, то высота тела над землей будет равна 0, а это означает, что потенциальная энергия у тела исчезла, она превратилась в кинетическую:
Согласно закону сохранения энергии можем записать:
Масса тела сокращается. Преобразуя указанное уравнение, получаем: .
Окончательный ответ будет: . Если подставить все значение, то получим:.
Ответ: .
Пример оформления решения задачи:
Рис. 3. Пример оформления решения задачи № 1
Данную задачу можно решить еще одним способом, как движение по вертикали с ускорением свободного падения.
Решение 2 :
Запишем уравнение движения тела в проекции на ось :
Когда тело приблизится к поверхности Земли, его координата будет равна 0:
Перед ускорением свободного падения стоит знак «-», поскольку оно направлено против выбранной оси .
Подставив известные величины, получаем, что тело падало на протяжении времени . Теперь запишем уравнение для скорости:
Полагая ускорение свободного падения равным получаем:
Знак минус означает, что тело движется против направления выбранной оси.
Ответ: .
Пример оформления решения задачи № 1 вторым способом.
Рис. 4. Пример оформления решения задачи № 1 (способ 2)
Также для решения данной задачи можно было воспользоваться формулой, которая не зависит от времени:
Конечно, нужно отметить, что данный пример мы рассмотрели с учетом отсутствия сил трения, которые в реальности действуют в любой системе. Обратимся к формулам и посмотрим, как записывается закон сохранения механической энергии:
Дополнительная задача 2
Тело свободно падает с высоты . Определите, на какой высоте кинетическая энергия равна трети потенциальной ().
Рис. 5. Иллюстрация к задаче № 2
Решение:
Когда тело находится на высоте , оно обладает потенциальной энергией, и только потенциальной. Эта энергия определяется формулой: .
Это и будет полная энергия тела.
Когда тело начинает двигаться вниз, уменьшается потенциальная энергия, но вместе с тем нарастает кинетическая. На высоте, которую нужно определить, у тела уже будет некоторая скорость V. Для точки, соответствующей высоте h, кинетическая энергия имеет вид:
Потенциальная энергия на этой высоте будет обозначена следующим образом: .
По закону сохранения энергии, у нас полная энергия сохраняется. Эта энергия остается величиной постоянной. Для точки мы можем записать следующее соотношение: (по З.С.Э.).
Вспоминая, что кинетическая энергия по условию задачи составляет , можем записать следующее: .
Обратите внимание: масса и ускорение свободного падения сокращается, после несложных преобразований мы получаем, что высота, на которой такое соотношение выполняется, составляет .
Ответ:
Пример оформления задачи 2.
Рис. 6. Оформление решения задачи № 2
Представьте себе, что тело в некоторой системе отсчета обладает кинетической и потенциальной энергией. Если система замкнутая, то при каком-либо изменении произошло перераспределение, превращение одного вида энергии в другой, но полная энергия остается по своему значению той же самой (рис. 7).
Рис. 7. Закон сохранения энергии
Представьте себе ситуацию, когда по горизонтальной дороге движется автомобиль. Водитель выключает мотор и продолжает движение уже с выключенным мотором. Что в этом случае происходит (рис. 8)?
Рис. 8. Движение автомобиля
В данном случае автомобиль обладает кинетической энергией. Но вы прекрасно знаете, что с течением времени автомобиль остановится. Куда девалась в этом случае энергия? Ведь потенциальная энергия тела в данном случае тоже не изменилась, она была какой-то постоянной величиной относительно Земли. Как произошло изменение энергии? В данном случае энергия пошла на преодоление сил трения. Если в системе встречается трение, то оно также влияет на энергию этой системы. Посмотрим, как записывается в данном случае изменение энергии.
Изменяется энергия, и это изменение энергии определяется работой против силы трения. Определить работу силы трения мы можем с помощью формулы, которая известна из 7 класса (сила и перемещение направлены противоположно):
Итак, когда мы говорим об энергии и работе, то должны понимать, что каждый раз мы должны учитывать и то, что часть энергии расходуется на преодоление сил трения. Совершается работа по преодолению сил трения. Работа является величиной, которая характеризует изменение энергии тела.
В заключение урока хотелось бы сказать, что работа и энергия по сути своей связанные величины через действующие силы.
Дополнительная задача 3
Два тела - брусок массой и пластилиновый шарик массой - движутся навстречу друг другу с одинаковыми скоростями (). После столкновения пластилиновый шарик прилип к бруску, два тела продолжают движение вместе. Определить, какая часть механической энергии превратилась во внутреннюю энергию этих тел, с учетом того что масса бруска в 3 раза больше массы пластилинового шарика ().
Решение:
Изменение внутренней энергии можно обозначить . Как вы знаете, существует несколько видов энергии. Кроме механической, существует еще и тепловая, внутренняя энергия.
Вопросы.
1. Что называется механической (полной механической) энергией?
2. Как формулируется закон сохранения механической энергии?
Механическая энергия замкнутой системы тел остается постоянной, если между телами системы действуют только силы тяготения и силы упругости.
Е полн. = const
3. Может ли меняться с течением времени потенциальная или кинетическая энергия замкнутой системы?
Кинетическая и потенциальная энергия замкнутой системы могут меняться, преобразуясь друг в друга.
Упражнения.
1. Дайте математическую формулировку закона сохранения механической энергии (т.е. запишите его в виде уравнений).
.jpg)
2. Оторвавшаяся от крыши сосулька падает с высоты h 0 = 36 м от земли. Какую скорость v она будет иметь на высоте h = 31 м? (Представьте два способа решения: с применением закона сохранения механической энергии и без него; g= 10 м/с 2).
.jpg)
3. Шарик вылетает из детского пружинного пистолета вертикально вверх с начальной скоростью v 0 = 5 м/с. На какую высоту от места вылета он поднимется? (Представьте два способа решения: с применением закона сохранения механической энергии и без него; g= 10 м/с 2).
Суммарная механическая энергия системы () — это энергия механического энергия и взаимодействия:
где — кинетическая энергия тела; — потенциальная энергия тела.
Закон сохранения энергии создан в результате обобщения эмпирических данных. Идея такого закона принадлежала М.В. Ломоносову, который представил закон сохранения материи и движения. Количественно закон сформулировали немецкий врач Ю. Майер и ученый — естествоиспытатель. Гельмгольц.
Формулировка закона сохранения механической энергии
Если в системе тел действуют исключительно силы, которые являются консервативными, то суммарная механическая энергия остается неизменной во времени. (Консервативными (потенциальными) называют силы, работа которых не зависит: от вида траектории, точки к которой приложены данные силы, закона, который описывает движение этого тела, и определено исключительно начальной и конечной точками траектории движения тела (материальной точки)).
Механические системы, в которых действуют исключительно консервативные силы, называют консервативными системами.
Еще одной формулировкой закона сохранения механической энергии считают следующую:
Для консервативных систем суммарная механическая энергия системы величина неизменная.
Математическая формулировка закона сохранения механической энергии имеет вид:
Значение закона сохранения механической энергии
Данный закон связан со свойством однородности времени. Что означает инвариантность законов физики относительно выбора начала временного отсчета.
В диссипативных системах механическая энергия уменьшается, так как происходит преобразование механической энергии в немеханические ее виды. Такой процесс называют рассеянием (диссипацией) энергии.
В консервативных системах полная механическая энергия постоянна. Происходят переходы кинетической энергии в потенциальную и наоборот. Следовательно, закон сохранения механической энергии отражает не только сохранение энергии количественно, но указывает на качественную сторону взаимного превращения разных форм движения друг в друга.
Закон сохранения и превращения энергии является фундаментальным законом природы. Он выполняется и в макро и микро мире.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Тело массы упало с высоты на площадку, прикрепленную к пружине с коэффициентом упругости (рис.1). Каково смещение пружины ()?
|
| Решение | За ноль потенциальной энергии примем положение площадки до падения на нее груза. Потенциальная энергия тела, поднятого на высоту ,переходит в потенциальную энергию сжатой пружины. Запишем закон сохранения энергии системы тело — пружина:
Получили квадратное уравнение: Решая квадратное уравнение получим:
|
| Ответ |
ПРИМЕР 2
| Задание | Объясните, почему говорят о всеобщем характере закона сохранения энергии, но известно, что при наличии неконсервативных сил в системе механическая энергия убывает. |
| Решение | Если сил трения в системе нет, то закон сохранения механической энергии выполняется, то есть полная механическая энергия не изменяется во времени. При действии сил трения, механическая энергия убывает, но при этом увеличивается внутренняя энергия. С развитием физики как науки были обнаружены новые виды энергии (световая энергия, электромагнитная энергия, химическая энергия, ядерная энергия). Было выяснено, что если над телом совершается работа, то она равна приращению суммы всех видов энергии тела. Если тело само совершает работу, над другими телами, то эта работа равна убыли суммарной энергии этого тела. Все виды энергии переходят из одного вида в другой. Причем, при всех переходах суммарная энергия остается неизменной. В этом и состоит всеобщность закона сохранения энергии. |
Закон сохранения механической энергии связывает между собой разные виды энергии, рассмотрим их подробнее. Выясним и возможности его практического применения.
Особенности физической системы
Математическая формулировка закона сохранения механической энергии связывает кинетическую и потенциальную энергию.
Суть закона заключается в том, что допускается превращение одной формы в иной вид, при этом суммарное значение остается неизменной величиной. В разных разделах физики есть свои формулировки данного закона. Например, в термодинамике выделяют первое начало, в классической механике используют закон сохранения, а в электродинамике расчеты проводят на основе теоремы Пойнтинга.
Фундаментальный смысл
Как определяется механическая энергия? Закон сохранения механической энергии объясняют теоремой Нетер. Она объясняет независимость закона относительно временных рамок, иных основополагающих принципов механики. Ньютоновская теория характеризуется использованием частного случая закона сохранения энергии.
Как можно качественно описать данный закон? Сумма потенциальной и кинетической форм в замкнутой системе сохраняется неизменной.
Если на систему не действуют иные силы, в таком случае не наблюдается ее исчезновения, а также появления. Как осуществлялось обоснование закона сохранения механической энергии? Лабораторная деятельность многих ученых основывалась на изучении перехода кинетической энергии в потенциальный вид. Например, при анализе состояния математического маятника удалось подтвердить неизменность суммарного значения двух видов.
Основы термодинамики
Как рассчитывается механическая энергия? Закон сохранения механической энергии можно применить к первому началу термодинамики. Рассматривается изменение внутренней энергии системы в процессе ее перехода из одного состояния в иное через сумму количества теплоты, передаваемого системе, и работы внешних сил.
Закон сохранения импульса и механической энергии поясняет сложность получения двигателя, работающего постоянно.
Изучение свойств жидкостей
Для гидродинамики идеальных жидкостей было выведено уравнение Бернулли. Суть его в постоянстве жидкости, имеющей однородную плотность.
Как изучалась механическая энергия? Закон сохранения механической энергии был определен экспериментальным путем. Гей-Люссак в начале 19 века пытался найти зависимость между расширением газа и его теплоемкостью. Ему удалось установить неизменность температуры в рассматриваемом процессе.
История появления закона
В 19 веке, после опытов М. Фарадея, была выявлена зависимость между разными видами материи. Именно эти исследования стали основой для появления закона сохранения. Что такое полная механическая энергия? Закон сохранения энергии назван результатом опытов, проведенных французским физиком Сади Карно. Он пытался экспериментальным путем определить зависимость между работой, совершенной над системой, и выделяющимся количеством теплоты.
Именно Карно удалось установить зависимость между теплом и работой, то есть сформулировать первое начало термодинамики на основе закона сохранения. Джеймс Прескотт Джоуль провел серию классических опытов, направленных на количественное определение теплоты, выделяющейся при вращении в электромагнитном поле соленоида с металлическим сердечником.
Ему удалось установить, что количество теплоты, выделяемой в экспериментах, прямо пропорционально значению тока, взятому в квадрате. В последующих экспериментах Джоуль поменял катушку на груз, падающий с некоторой высоты. Ученому удалось установить зависимость между величиной выделяемого тепла и математическим показателем энергии груза.
Роберт Майер предложил интересную гипотезу универсального применения закона сохранения энергии. Занимаясь изучением функционирования систем человека, немецкий врач решил проанализировать то количество теплоты, которое организм выделяет по мере переработки пищи. Его интересовала величина работы, совершаемой в этом случае. Майеру удалось установить связь между теплом, работой, подтверждающую возможность использования закона сохранения энергии для процессов, происходящих внутри организма человека.
Герман Гельмгольц дал первую характеристику потенциальной энергии, основываясь на исследованиях Джоуля и Майера. Он в своих рассуждениях базировался на связи кинетической (живой) энергии с силами напряжения (потенциальной энергии).
Заключение
Закон, поясняющий неизменность суммарного показателя нескольких видов энергии, присущих для рассматриваемой системы, сохраняет свою актуальность и в настоящее время. Открытие закона способствовало развитию физических наук, стало отправной точкой для инновационных процессов, рассматриваемых в науке и технике. Именно изучение закона сохранения механической энергии, лабораторная практика стали детальным обоснованием единства живой природы.
Он указывает на закономерность перехода одной формы в другую, раскрывает глубину внутренних связей между формами материи. Любое явление, происходящее в живой и неживой природе, легко можно объяснить с помощью данного закона. В школьной программе уделяется особое внимание выводу математической записи связи между разными видами движения, рассматриваются основы термодинамической системы. На едином государственном экзамене по физике предлагаются задачи, предполагающие использование данного соотношения.
Процессы, которые происходят в Солнечной системе, связанные с изменением положения тел за определенный промежуток времени, могут быть объяснены с точки зрения основных физических правил. Переход из кинетической в потенциальную форму актуален при изучении механического движения тел. Зная, что суммарный показатель будет постоянным, можно проводить математические вычисления.