ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ
У загальному випадку енергія характеризує рух і взаємодія різних видів матерії. Механічна енергія - це величина, що характеризує відносний рух тіл і їх взаємодія, їх здатність виконувати роботу.
Робота пов'язана з переміщенням, тому вона може здійснюватися лише за умови, що тіла рухаються. Якщо робота виконується під час руху тіл, взаємодіючих, змінюється їх взаємне положення. Крім того, в результаті здійснення роботи може змінюватися швидкість тел. Тобто тіло може виконати роботу тільки в разі зміни свого механічного стану: змінюється або взаємне положення тіл, або їх швидкості, або і те й інше.
Коли м'яч падає вниз, змінюється його положення відносно Землі. У разі деформації пружини змінюється взаємне положення частинок, які взаємодіють і з яких складається речовина пружини.
Ø Здатність тіла виконувати роботу внаслідок зміни свого стану характеризують фізичною величиною, яка називається енергією.
Механічна енергія тіла визначається механічним станом тіла, тобто взаємним становищем тіл і їх швидкостей. Якщо тіло виконує позитивну роботу внаслідок зміни свого механічного стану, механічна енергія тіла зменшується.
Оскільки мірою зміни енергії є робота, то енергія вимірюється в тих же одиницях, що і робота. Отже, одиницею виміру енергії в системі СІ є джоуль. Наприклад, якщо система виконує позитивну роботу в 1 Дж, енергія системи зменшується на 1 Дж.
Таким чином, робота на відміну від енергії, характеризує не стан тіла в певній системі відліку, а процес переходу тіла з одного стану в інший.
Обчислимо роботу постійної сили, що діє на тіло масою m в разі, коли тіло рухається прямолінійно, і напрямок сили збігається з напрямом швидкості.
Нехай тіло вчинила переміщення. У початковій точці спостереження тіло має швидкість 0, а в кінцевій -. Направимо вісь х так, щоб всі вектори мали з нею однаковий напрямок (див. Рис.).
Проекції всіх векторів рівні модулів цих векторів. Робота сили дорівнює А = Fs. де F = m а. У разі прямолінійного рівнопріскореного руху переміщення тіла і швидкість пов'язані співвідношенням:
Підставляючи в формулу роботи вираз для F і s. маємо:
Величину, рівну половині твори маси тіла на квадрат його швидкості, називається кінетичної енергією тіла:
Будь-яке тіло, що рухається, має кінетичну енергію, пропорційну його масі і квадрату швидкості.
Ø Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичної енергією.
Необхідно звернути увагу учнів на те, що значення кінетичної енергії залежить від вибору системи відліку, адже кінетична енергія тіла залежить від його швидкості, а швидкість тіла в різних системах відліку різна. Якщо система відліку однозначно не вказується, зазвичай мають на увазі систему відліку, пов'язану із Землею.
З урахуванням визначення кінетичної енергії можна записати:
Ø робота сили дорівнює зміні кінетичної енергії тіла.
Це твердження називають теоремою про кінетичну енергію. Якщо в початковий момент часу тіло нерухоме, то
У цьому полягає фізичний зміст кінетичної енергії:
Ø кінетична енергія тіла масою m. що рухається зі швидкістю v. дорівнює роботі, яку виконує сила, щоб передати тілу, що знаходиться в стані спокою, цю швидкість.
Кінетична енергія збільшується, якщо робота сили позитивна, і зменшується внаслідок негативної роботи.
Підняте над Землею тіло виконує роботу, коли воно рухається вниз. При цьому змінюється взаємне положення тіла і Землі, які діють один на одного.
Ø Фізичну величину, яка характеризує здатність системи тіл (частин тіла, які взаємодіють), виконувати роботу внаслідок зміни їх взаємного положення, називають потенційною енергією.
З'ясуємо, чому дорівнює потенційна енергія піднятого вантажу. Під час падіння вантажу сила тяжіння виробляє роботу A = mgh. Отже, якщо з нульовим значенням потенційної енергії зіставити положення вантажу на поверхні Землі, то потенційна енергія піднятого вантажу Wp = mgh.
Коли роботу виконує деформована пружина, змінюється взаємне положення частинок, з яких складається пружина і які діють один на одного.
Коли деформація пружини зменшується від початкового значення до нуля, сила пружності виконує роботу
Ø потенційна енергія деформованої пружини:
Ця формула означає, що робота сили пружності дорівнює зміні потенційної енергії пружини, взятої з протилежним знаком.
Зміна потенційної енергії вимірюється роботою, яку може виконати система тел внаслідок зміни взаємного положення цих тіл. Якщо все тіла системи повернулися в своє початкове положення, потенційна енергія системи не змінилася. отже,
Ø потенційну енергію можна визначити тільки для сил, робота яких під час руху замкнутої траєкторії дорівнює нулю.
А це умова, як ми вже знаємо, задовольняють лише дві з розглянутих в механіці сили - сила тяжіння і сила пружності. Тому для цих сил можна використовувати поняття потенційної енергії. А ось робота сили тертя під час руху замкнутої траєкторії завжди відрізняється від нуля, тому для сили тертя обчислити потенційну енергію неможливо.
Робота сили тяжіння не залежить від форми траєкторії руху тіла і визначається тільки його початковим і кінцевим положенням над поверхнею Землі.
Ø Сили, робота яких не залежить від форми траєкторії, називаються консервативними.
Питання до учнів під час викладу нового матеріалу
1. Коли тіло здатне виконувати роботу?
2. Змінюється механічне стан тіла внаслідок вчинення роботи?
3. Чи залежить значення кінетичної енергії від вибору системи відліку?
4. Чи змінюється кінетична енергія тіла під час зміни напрямку вектора його швидкості?
5. Тіло падає з деякої висоти. Як змінюється його потенційна енергія?
6. Як змінюється потенціальна енергія пружини:
а) коли її розтягують?
б) коли її стискають?
в) коли вона повертається в недеформованій стан?
Закріплення ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ
1). Тренуємося вирішувати завдання
1. Яка робота повинна бути виконана для зупинки поїзда масою 1000 т, що рухається зі швидкістю 108 км / год.?
2. На яку висоту потрібно підняти вантаж масою 5 кг, щоб його потенційна енергія збільшилася на 40 Дж? На скільки потрібно опустити вантаж, щоб його потенційна енергія зменшилася на 100 Дж?
3. Пружина, розтягнута на 2 см, коли її відпустили, скоротилася на 1 см. Обчисліть роботу сили пружності, якщо жорсткість пружини дорівнює 40 Н / м.
4. Довжина пружини збільшилася втричі. У скільки разів збільшилася потенційна енергія пружини?
1. Як змінюється кінетична енергія тіла, якщо сила, прикладена до тіла, виконує позитивну роботу?
2. Тіло кинули вертикально вгору. Яку роботу - позитивну або негативну - виконує сила тяжіння при підйомі тіла? під час спуску? Як змінюється кінетична енергія тіла під час підйому і під час спуску?
3. Наведіть приклади використання потенційної енергії тіл, піднятих над поверхнею Землі.
4. Для розрахунку кінетичної енергії існує єдина формула. Чому немає єдиної формули для розрахунку потенційної енергії?
5. Опишіть перетворення енергії, які відбуваються під час спортивної стрільби з лука.
Що ми дізналися на уроці:
• Здатність тіла виконувати роботу внаслідок зміни свого стану характеризують фізичною величиною, яка називається енергією.
• Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичної енергією
• Теорема про кінетичну енергію: робота сили дорівнює зміні кінетичної енергії тіла.
• Фізичну величину, яка характеризує здатність системи взаємодіючих тіл (частин тіла) виконувати роботу внаслідок зміни їх взаємного положення, називають потенційною енергією.
• Потенційна енергія піднятого вантажу:
• Потенційну енергію можна визначити тільки для сил, робота яких піл час руху по замкнутій траєкторії дорівнює нулю.
• Потенційна енергія деформованої пружини:
г 1) - 12.3; 12.15; 12.16; 12.17;
р2) - 12.31; 12.32; 12.33; 12.40;