Оглавление:

Основные теоретические сведения

Механическая работа

К оглавлению…

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой, совершаемой постоянной силой F, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.

Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (F_упр = kx).

Мощность

К оглавлению…

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность P (иногда обозначают буквой N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность (мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.

КПД – коэффициент полезного действия, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:

Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.

Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).

В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:

Кинетическая энергия

К оглавлению…

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения):

То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Е_к = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.

Тело обладает энергией, если способно совершить работу. Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т.е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.

Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m стало двигаться со скоростью v необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m движется со скоростью v, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.

Потенциальная энергия

К оглавлению…

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли рассчитывается по формуле:

Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h – расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.

Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Потенциальная энергия растянутой пружины рассчитывается по формуле:

где: k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).

КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.

Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.

Закон сохранения механической энергии

К оглавлению…

Полной механической энергией называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):

Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:

Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.

Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:

1. Найти точки начального и конечного положения тела.
2. Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
3. Приравнять начальную и конечную энергию тела.
4. Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
5. Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.

Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

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

Разные задачи на работу

К оглавлению…

Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:

1. Работу можно найти по формуле: A = FS∙cosα. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
2. Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
3. Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A = mgh, где h – высота, на которую поднимается центр тяжести тела.
4. Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A = Pt.
5. Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.

Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения

К оглавлению…

Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:

1. Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
2. Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
3. Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
4. В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
5. Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.

При решении задач надо помнить, что:

• Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
• При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
• Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.

Неупругие соударения

К оглавлению…

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.

С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).

Абсолютно упругий удар

К оглавлению…

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.

Центральным ударом шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.

Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.

Законы сохранения. Сложные задачи

К оглавлению…

Несколько тел

В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.

Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:

1. выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
2. записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
3. учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
4. при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.

Разрыв снаряда

В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.

Столкновения с тяжёлой плитой

Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v, движется лёгкий шарик массой m со скоростью u_н. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:

Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:

Задачи о максимальных и минимальных значениях энергии сталкивающихся шаров

В задачах такого типа главное понять, что потенциальная энергия упругой деформации шаров максимальна, если кинетическая энергия их движения минимальна – это следует из закона сохранения механической энергии. Сумма кинетических энергий шаров минимальна в тот момент, когда скорости шаров будут одинаковы по величине и направлены в одном направлении. В этот момент относительная скорость шаров равна нулю, а деформация и связанная с ней потенциальная энергия максимальна.

В чем измеряется механическая энергия

Что такое механическая энергия системы тел? В каких единицах измеряется механическая энергия в СИ? Что такое механическая энергия системы тел? В каких единицах измеряется механическая энергия в СИ?

Лучший ответ:

Механическая энергия — сумма потенциальной и кинетической энергии системы тел.

Другие вопросы:

Лужи покрываются льдом в первые утренние заморозки, однако поверхность озера остаётся незамёрзшей. Объясните наблюдаемое явление Лужи покрываются льдом в первые утренние заморозки, однако поверхность озера остаётся незамёрзшей. Объясните наблюдаемое явление

При каких условиях в процессе теплообмена можно использовать формулу (1)? При каких условиях в процессе теплообмена можно использовать формулу (1)?

В городских парках устанавливают фонтаны. Почему жарким летним днём вблизи фонтана ощущается прохлада? В городских парках устанавливают фонтаны. Почему жарким летним днём вблизи фонтана ощущается прохлада?

Используя таблицу 2, назовите вещества с наибольшей и наименьшей удельной теплоёмкостью. Используя таблицу 2, назовите вещества с наибольшей и наименьшей удельной теплоёмкостью.

Назовите единицу удельной теплоёмкости вещества в СИ. Назовите единицу удельной теплоёмкости вещества в СИ.

Энергия — это физическая величина служащая мерой разных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода разных форм материи.

Энергия отображает способность физической системы к совершению работы, при этом работа является мерой изменения энергии. Из этого следует, что работа и энергия имеют одинаковые единицы измерения.

Единицы измерения энергии в Международной системе единиц

В международной системе единиц (СИ) джоуль (Дж) — единица измерения энергии и работы. Исходя из механического определения работы:

один джоуль — это работа ($A$), которую совершает сила ($overline$) в один ньютон при перемещении ($overline$) точки приложения силы в один метр:

[1 Дж=1 Нcdot 1 м.]

Джоуль не является основной единицей системы СИ. Через основные единицы джоуль легко выразить, используя механическое определение работы и единицы измерения соответствующих величин:

Такую же размерность можно получить, если использовать определение энергии вида:

где $c$ — скорость света; $m$ — масса тела. Исходя из выражения (2), имеем:

И так, мы убедились, что джоуль — единица измерения энергии. Насколько велик джоуль можно понять, если решить простую задачу: тело массой 2 кг движется со скоростью 1$frac<м><с>$ , какова его кинетическая энергия? Вычислим кинетическую энергию ($E_k$) нашего тела используя ее определение:

Единицы измерения энергии в других системах единиц

В системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) энергия (и работа) измеряются в эргах (эрг). При этом одни эрг равен:

[1 эрг=1 динcdot 1 см.]

В технических расчетах встречается такая единица измерения энергии как килограммометр (кгм) или килограмм силы (кгс) на метр (м): (кгсм). При этом считают, что:

[1кгсм=1 кгсcdot 1 м=9,81 Дж.]

При расчетах тепла часто в качестве единицы измерения энергии используют калорию. Калорию определяют как:

Гигакалорию (Гкал) применяют в теплоэнергетике, коммунальных хозяйствах, система отопления.

Энергию можно выражать в киловатт часах:

[1 кВтcdot ч=3,6cdot <10>^5Дж.]

В основном данную единицу измерения используют в электроэнергетике.

В атомной и квантовой физике применяют такую единицу измерения энергии как электрон-вольт (эВ). При этом полагают, что:

Электрон — вольт — это энергия, которую приобретает частица, имеющая элементарный заряд (заряд электрона), если она перемещается между точками поля разность которых 1 В:

Примеры задач с решением

Задание. Какое количество теплоты выделится при полном сгорании древесного угля, масса которого составляет $m=$1 кг. Переведите полученный ответ в калории.

Решение. Количество теплоты $(Q)$, выделяемое при сгорании угля, найдем, используя формулу:

где $r=2,7cdot <10>^7frac<Дж><кг>$ — удельная теплота сгорания древесного угля. Можно проводить вычисления:

[Q=2,7cdot <10>^7cdot 1=2,7cdot <10>^7left(Дж
ight).]

Задача решена в системе СИ. Используя соотношение:

переведем полученный результат в калории:

Ответ. $Q=6,4cdot <10>^7$ кал

Задание. Вычислите количество энергии необходимое для превращения $m=$100 г воды в пар при температуре, равной $t=$1000С. Запишите ответ в СГС.

Решение. Энергия $(E)$, необходимая для перехода жидкости в пар равна количеству теплоты (Q), которое должно получить масса этого вещества при парообразовании:

Теплоту парообразования найдем как:

[Q=lambda m left(2.2
ight),]

где $lambda =2,3cdot <10>^6frac<Дж><кг>$ — удельная теплота парообразования воды. Вычислим искомую энергию, учитывая (2.1) и (2.2):

[E=2,3cdot <10>^6cdot 0,1=2,3cdot <10>^5left(Дж
ight).]

Эрг — единица измерения энергии в системе СГС, при этом:

Ответ. $E=2,3cdot <10>^ <12>эрг$

• В чем измеряется энергия
• Как найти внутреннюю энергию
• Как найти среднюю кинетическую энергию молекул

Джеймс Джоуль развил и доработал законы Ньютона, что сыграло важную роль в определении видов механической энергии. В частности, он показал, что теплота – это разновидность энергии.

Связь между силой и энергией

Чтобы понять, что такое джоуль, нужно сперва обратиться к определению понятия единицы силы – ньютона. Ньютон – это сила, которая может ускорить 1 кг массы со скоростью 1 метр в секунду. Джоуль – это количество израсходованной энергии или работы. Так, 1 джоуль равен израсходованной силе в 1 ньютон.

Мощность и энергия

Когда речь заходит о приборах, которыми люди пользуются дома, то обычно никого не интересует, сколько устройство расходует энергии в секунду. Важнее то, с какой скоростью прибор забирает энергию за единицу времени. Такая величина называется «мощность». Ее можно представить формулой:

В частности, разновидностью мощности является электроэнергия. Ее измеряют в ваттах. Ватт – это единица измерения мощности, названная в честь ученого Джеймса Уатта. Соотношение ватта и джоуля можно выразить формулой:

1 ватт = 1 джоуль/1 секунда

Хотя энергия и мощность тесно связаны, их не следует путать. Важно понимать, что мощность – это скорость поглощаемой энергии, а не само количество энергии. Прибегнув к помощи алгебры, можно выразить энергию простым уравнением:

Энергия = сила *время

Опираясь на вышесказанное, можно утверждать, что электрическая лампочка мощностью в 100 ватт – это прибор, который превращает 100 джоулей электрической энергии в 100 джоулей электромагнитного излучения (или света) каждую секунду. Если не погашать такую лампу в течение часа, то энергия, которую она поглотит, будет равна 360000 джоулей. Это можно показать в уравнении:

Энергия = сила*время= 100 дж./сек. * 3600 секунд = 360000 джоулей

Ватты – это удобная единица измерения, когда речь заходит об электроприборах. Например, с их помощью можно определить мощность ламп. Но бывают ситуации, когда важно знать расход энергии в целом. Например, вам нужно посчитать, сколько придется заплатить за электроэнергию по квитанции. На практике для подсчета энергопотребления пользоваться джоулями в качестве единицы измерения не очень удобно. Тогда используется другая единица – киловатт в час. 1 киловатт в час энергии равен 1000 ваттам мощности, поглощаемой за 60 минут. Примерно столько энергии уходит на работу обычного фена для волос в течение одного часа.

В измерении электроэнергии также применяют амперы и вольты. Вольт – это единица измерения определенного заряда энергии. С помощью амперов измеряют электрический ток.

Калории и джоули

Энергия также может измеряться в калориях. Калории, как правило, связаны с едой. Но их можно использовать для измерения и других видов энергии. 1 калория равна 4, 184 джоуля.

Чтобы израсходовать 1 литр бензина, потребуется 7 750 000 калорий.

Калории, которые вы видите на упаковках с пищевыми продуктами, — это, на самом деле, килокалории. В одной килокалории содержится 1000 калорий.

В чем измеряется энергия 🚩 единица измерения электрической энергии 🚩 Естественные науки Джеймс Джоуль развил и доработал законы Ньютона, что сыграло важную роль в определении видов механической энергии. В частности, он показал, что теплота – это разновидность энергии.

Связь между силой и энергией

Чтобы понять, что такое джоуль, нужно сперва обратиться к определению понятия единицы силы – ньютона. Ньютон – это сила, которая может ускорить 1 кг массы со скоростью 1 метр в секунду. Джоуль – это количество израсходованной энергии или работы. Так, 1 джоуль равен израсходованной силе в 1 ньютон.

Мощность и энергия

Когда речь заходит о приборах, которыми люди пользуются дома, то обычно никого не интересует, сколько устройство расходует энергии в секунду. Важнее то, с какой скоростью прибор забирает энергию за единицу времени. Такая величина называется «мощность». Ее можно представить формулой:

Мощность = энергия/время

В частности, разновидностью мощности является электроэнергия. Ее измеряют в ваттах. Ватт – это единица измерения мощности, названная в честь ученого Джеймса Уатта. Соотношение ватта и джоуля можно выразить формулой:

1 ватт = 1 джоуль/1 секунда

Хотя энергия и мощность тесно связаны, их не следует путать. Важно понимать, что мощность – это скорость поглощаемой энергии, а не само количество энергии. Прибегнув к помощи алгебры, можно выразить энергию простым уравнением:

Энергия = сила *время

Опираясь на вышесказанное, можно утверждать, что электрическая лампочка мощностью в 100 ватт – это прибор, который превращает 100 джоулей электрической энергии в 100 джоулей электромагнитного излучения (или света) каждую секунду. Если не погашать такую лампу в течение часа, то энергия, которую она поглотит, будет равна 360000 джоулей. Это можно показать в уравнении:

Энергия = сила*время= 100 дж./сек. * 3600 секунд = 360000 джоулей

Ватты – это удобная единица измерения, когда речь заходит об электроприборах. Например, с их помощью можно определить мощность ламп. Но бывают ситуации, когда важно знать расход энергии в целом. Например, вам нужно посчитать, сколько придется заплатить за электроэнергию по квитанции. На практике для подсчета энергопотребления пользоваться джоулями в качестве единицы измерения не очень удобно. Тогда используется другая единица – киловатт в час. 1 киловатт в час энергии равен 1000 ваттам мощности, поглощаемой за 60 минут. Примерно столько энергии уходит на работу обычного фена для волос в течение одного часа.

В измерении электроэнергии также применяют амперы и вольты. Вольт – это единица измерения определенного заряда энергии. С помощью амперов измеряют электрический ток.

Калории и джоули

Энергия также может измеряться в калориях. Калории, как правило, связаны с едой. Но их можно использовать для измерения и других видов энергии. 1 калория равна 4, 184 джоуля.

Чтобы израсходовать 1 литр бензина, потребуется 7 750 000 калорий.

Калории, которые вы видите на упаковках с пищевыми продуктами, — это, на самом деле, килокалории. В одной килокалории содержится 1000 калорий.

Полная механическая энергия — урок. Физика, 8 класс.

Полная механическая энергия тела равна сумме его кинетической и потенциальной энергии.

Полную механическую энергию рассматривают в тех случаях, когда действует закон сохранения энергии и она остаётся постоянной.

Если на движение тела не оказывают влияния внешние силы, например, нет взаимодействия с другими телами, нет силы трения или силы сопротивления движению, тогда полная механическая энергия тела остаётся неизменной во времени.

Eпот&plus;Eкин=const

 

Разумеется, что в повседневной жизни не существует идеальной ситуации, в которой тело полностью сохраняло бы свою энергию, так как любое тело вокруг нас взаимодействует хотя бы с молекулами воздуха и сталкивается с сопротивлением воздуха. Но, если сила сопротивления очень мала и движение рассматривается в относительно коротком промежутке времени, тогда такую ситуацию можно приближённо считать теоретически идеальной.

Закон сохранения полной механической энергии обычно применяют при рассмотрении свободного падения тела, при его вертикальном подбрасывании или в случае колебаний тела.

Пример:

При вертикальном подбрасывании тела его полная механическая энергия не меняется, а кинетическая энергия тела переходит в потенциальную и наоборот.

Преобразование энергии отображено на рисунке и в таблице.

 

 

Точка нахождения тела	Потенциальная энергия	Кинетическая энергия	Полная механическая энергия
3) Самая верхняя  (h = max)	Eпот = m⋅g⋅h (max)	Eкин = 0	Eполная = m⋅g⋅h
2) Средняя  (h = средняя)	Eпот = m⋅g⋅h	Eкин = m⋅v22	Eполная=m⋅v22+m⋅g⋅h
1) Самая нижняя  (h = 0)	Eпот = 0	Eкин = m⋅v22 (max)	Eполная = m⋅v22

 

Исходя из того, что в начале движения величина кинетической энергии тела одинакова с величиной его потенциальной энергии в верхней точке траектории движения, для расчётов могут быть использованы ещё две формулы.

Если известна максимальная высота, на которую поднимается тело, тогда можно определить максимальную скорость движения по формуле:

 

 vmax=2⋅g⋅hmax.

 

Если известна максимальная скорость движения тела, тогда можно определить максимальную высоту, на которую поднимается тело, брошенное вверх, по такой формуле:

 

 hmax=vmax22g.

 

 

Чтобы отобразить преобразование энергии графически, можно использовать имитацию «Энергия в скейт-парке», в которой человек, катающийся на роликовой доске (скейтер) перемещается по рампе. Чтобы изобразить идеальный случай, предполагается, что не происходит потерь энергии в связи с трением. На рисунке показана рампа со скейтером, и далее на графике показана зависимость механической энергии от места положения скейтера на траектории.

 

 

На графике синей пунктирной линией показано изменение потенциальной энергии. В средней точке рампы потенциальная энергия равна \(нулю\). Зелёной пунктирной линией показано изменение кинетической энергии. В верхних точках рампы кинетическая энергия равна \(нулю\). Жёлто-зелёная линия изображает полную механическую энергию — сумму потенциальной и кинетической — в каждый момент движения и в каждой точке траектории. Как видно, она остаётся \(неизменной\) во всё время движения. Частота точек характеризует скорость движения — чем дальше точки расположены друг от друга, тем больше скорость движения.

 

 

На графике видно, что значение потенциальной энергии в начальной точке совпадает со значением кинетической энергии в середине рампы.

В реальной ситуации всегда происходят потери энергии, так как часть энергии выделяется в виде тепла под влиянием сил трения и сопротивления. 

Поэтому для того, чтобы автомобиль двигался с равномерной и неизменной скоростью, необходимо постоянно подводить дополнительную энергию, которая компенсировала бы энергетические потери.

Источники:

E. Šilters, V. Regusts, A. Cābelis. «Fizika 10 klasei», Lielvārds, 2004, 256 lpp.

(Э. Шилтерс, В. Регустс, А. Цабелис. «Физика для 10 класса», Lielvārds, 2004, 256 стр.)

http://phet.colorado.edu/en/simulation/energy-skate-park

Механическая энергия

Механической энергией тела в физике называют сумму кинетической и потенциальной энергий этого тела. Познакомимся с этими видами энергии на конкретных примерах. Обратимся к рисункам.

Взгляните: катящийся по дорожке шар сбивает кегли, и они разлетаются по сторонам. Только что выключенный вентилятор ещё некоторое время продолжает вращаться, создавая поток воздуха. Обладают ли эти тела энергией?

Заметим: шар и вентилятор совершают механическую работу, значит, обладают энергией. Они обладают энергией потому, что движутся. Энергию движущихся тел в физике называют кинетической энергией (от греч. «кинема» – движение).

Кинетическая энергия зависит от массы тела и скорости его движения (перемещения в пространстве или вращения). Например, чем больше масса шара, тем больше энергии он передаст кеглям при ударе, тем дальше они разлетятся. Например, чем больше скорость вращения лопастей, тем дальше вентилятор переместит поток воздуха.

Кинетическая энергия одного и того же тела может быть различной с точек зрения различных наблюдателей. Например, с нашей точки зрения как читателей этой книги, кинетическая энергия пня на дороге равна нулю, так как пень не движется. Однако по отношению к велосипедисту пень обладает кинетической энергией, поскольку стремительно приближается, и при столкновении совершит очень неприятную механическую работу – погнёт детали велосипеда.

Энергию, которой тела или части одного тела обладают потому, что взаимодействуют с другими телами (или частями тела), в физике называют потенциальной энергией (от лат. «потенциа» – сила).

Обратимся к рисунку. При всплытии мяч может совершить механическую работу, например, вытолкнуть нашу ладонь из воды на поверхность. Расположенная на некоторой высоте гиря может совершить работу – расколоть орех. Натянутая тетива лука может вытолкнуть стрелу. Следовательно, рассмотренные тела обладают потенциальной энергией, так как взаимодействуют с другими телами (или частями тела). Например, мяч взаимодействует с водой – архимедова сила выталкивает его на поверхность. Гиря взаимодействует с Землёй – сила тяжести тянет гирю вниз. Тетива взаимодействует с другими частями лука – её натягивает сила упругости изогнутого древка лука.

Потенциальная энергия тела зависит от силы взаимодействия тел (или частей тела) и расстояния между ними. Например, чем больше архимедова сила и глубже мяч погружён в воду, чем больше сила тяжести и дальше гиря от Земли, чем больше сила упругости и дальше оттянута тетива, – тем больше потенциальные энергии тел: мяча, гири, лука (соответственно).

Потенциальная энергия одного и того же тела может быть различной по отношению к различным телам. Взгляните на рисунок. При падении гири на каждый из орехов обнаружится, что осколки второго ореха разлетятся намного дальше, чем осколки первого. Следовательно, по отношению к ореху 1 гиря обладает меньшей потенциальной энергией, чем по отношению к ореху 2. Важно: в отличие от кинетической энергии, потенциальная энергия не зависит от положения и движения наблюдателя, а зависит от выбора нами «нулевого уровня» энергии.

22 примера механической энергии, которую мы видим вокруг нас

Энергия требуется для выполнения любой формы работы. Полная механическая энергия системы является суммой кинетической энергии системы и ее потенциальной энергии. Ниже приведены 22 примера механической энергии.

Закон сохранения энергии

Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.Он может быть преобразован только из одной формы в другую. Таким образом, общее количество энергии во Вселенной остается постоянным.

Хотите написать для нас? Ну, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию. Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Для работы нужна та или иная форма энергии. Эта энергия может быть обусловлена ​​положением системы или объекта и известна как потенциальной энергии . Принимая во внимание, что кинетическая энергия — это энергия, которой обладает система или тело благодаря своему относительному движению.Полная энергия системы является суммой ее потенциальной и кинетической энергии, которая известна как механическая энергия системы.

планет, вращающихся вокруг Солнца , атомов, вращающихся вокруг ядра , футбольный мяч , который движется, или даже плавание рыб — вот некоторые примеры систем, обладающих механической энергией.

Механическая энергия может быть использована для работы. Далее в этой статье приводятся объяснения нескольких примеров того, как механическая энергия может быть преобразована в другие виды энергии, а также как другие виды энергии преобразуются в механическую энергию для выполнения работы.

Примеры механической энергии

шарик на столе

Когда мяч ставится на стол, он находится в покое. Это будет иметь потенциальную энергию из-за высоты шара от земли. Теперь, если шар упадет со стола, потенциальная энергия начнет превращаться в кинетическую энергию. Однако их сумма останется постоянной, и это будет общая механическая энергия системы.Непосредственно перед тем, как мяч коснется пола ниже, общая потенциальная энергия системы снизится до нуля и будет иметь только кинетическую энергию.

ГЭС

Гидроэлектростанция является примером преобразования механической энергии в электрическую энергию. Механическая энергия воды, падающей с водопада, используется для вращения турбин, которые находятся на дне водопада.Вращение этих турбин используется для выработки электроэнергии.

Паровой двигатель

Паровые двигатели работают на пару, который является тепловой энергией. Эта тепловая энергия преобразуется в механическую энергию, которая используется для запуска локомотивов. Это пример преобразования тепловой энергии в механическую энергию.

Двигатель внутреннего сгорания

В двигателе внутреннего сгорания химическая энергия преобразуется в механическую энергию.Это преобразование достигается путем сжигания топлива. Затем механическая энергия используется для приведения транспортного средства в движение.

Ветряные мельницы

Ветряные мельницы используются для производства электроэнергии. Кинетическая энергия ветра заставляет лопасти вращаться. Ветряные мельницы преобразуют эту кинетическую энергию ветра в электрическую энергию.

A Dart Gun

Хотите написать для нас? Ну, мы ищем хороших писателей, которые хотят распространять информацию.Свяжитесь с нами, и мы поговорим …

Давайте работать вместе!

Пистолет для дротиков может хранить механическую энергию в форме упругой энергии. Пистолет для дротиков имеет пружину, которая может сохранять энергию упругости, когда она находится в сжатом положении. Эта энергия, когда весна расслабляется, заставляет дротик двигаться. Таким образом преобразуя энергию упругости пружины в кинетическую энергию дротика в движении.

A Bullet Strike

Движущаяся пуля имеет кинетическую энергию.Часть этой кинетической энергии преобразуется в тепловую энергию, и именно поэтому цели становятся горячими, когда пуля попадает в них.

Игра в пул

При игре в пул механическая энергия клюшки переносится на мяч для пула. Это приводит к тому, что мяч для пула перемещается и проходит некоторое расстояние, прежде чем остановиться.

Электродвигатель

Электродвигатель используется для преобразования электрической энергии в полезную форму механической энергии.Этот процесс совершенно противоположен процессу генератора. Такой мотор используется в вентиляторе.

Электрические двигатели

Электрическая энергия используется в двигателях, где она преобразуется в механическую энергию. Эта механическая энергия находится в форме кинетической энергии движущегося локомотива или транспортного средства.

Некоторые другие примеры сохранения механической энергии:

■ Стрела, выпущенная из лука

■ Вода, выпущенная из плотины

■ Освобождение пружины после ее сжатия

■ Освобождение резиновой ленты, которая была растянута

■ шар для боулинга ударяется о кегли

■ Качающийся маятник

■ Подвижный или катящийся объект, который останавливается

В примерах, где хранится механическая энергия, она хранится в форме потенциальной энергии.Есть также случаи, когда тело имеет оба типа энергий одновременно. Как и спутник , который вращается вокруг Земли, будет обладать потенциальной энергией из-за его положения относительно поверхности Земли, а также кинетической энергией из-за его относительного движения относительно планеты.

,

Механическая энергия — Физика Видео Brightstorm

Способность объекта выполнять работу измеряется его механической энергией или суммой кинетической энергии объекта и его потенциальной энергии. Механическая энергия обусловлена ​​положением или движением объекта. Формула для механической энергии: механическая энергия = кинетическая энергия + потенциальная энергия .

Механическая энергия, механическая энергия это энергия из-за положения или движения объекта в порядке.И есть две большие формы механической энергии, кинетической энергии и потенциальной энергии. Итак, давайте посмотрим на некоторые примеры, у меня есть мой мяч для удара, и если я держу его высоко, у него есть потенциальная энергия, верно? Я могу отпустить это, и что происходит? Хорошо, что потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию правильно. Прямо здесь, когда он падает на пол, у него нет потенциальной энергии, и я остановил кинетическую энергию, поэтому снова эти типы энергии переносимы, и вы часто будете видеть множество проблем, когда вам нужно что-то преобразовать из определенное количество кинетической энергии в потенциальную энергию, скажем, с маятником, который движется там, где он имеет максимальное количество кинетической энергии, и затем эта кинетическая энергия медленно преобразуется в потенциальную энергию.Итак, давайте быстро посмотрим, что такое кинетическая и потенциальная энергия. Таким образом, кинетическая энергия, которая является энергией движения, равна половине массы объекта, умноженной на квадрат скорости. Таким образом, половина квадрата мв является формулой, которую мы используем для кинетической энергии.

Потенциальная энергия, когда мы говорим о позиционной энергии, нам нужно знать массу, а затем силу гравитации g, а затем высоту, на которую мы ее поднимаем. Таким образом, масса, умноженная на гравитацию, умноженная на высоту, дает нам потенциальную энергию, и помните, что гравитация равна 9.8 метров в секунду в квадрате ускорение силы там. Итак, это 2 типа механической энергии, и часто мы будем решать что-то из определенного количества потенциальной энергии и выяснять, сколько кинетической энергии у нее в самой низкой точке, и мы снова используем эти 2 уравнения для решения проблем с механической энергией. энергия.

,

Тепловая энергия — Энергетическое образование

Тепловая энергия объекта — это энергия, содержащаяся в движении и вибрации его молекул. Тепловая энергия измеряется через температуру.

Энергия, содержащаяся в небольших движениях молекул объекта, может быть разбита на комбинацию микроскопической кинетической энергии и потенциальной энергии. Общая энергия объекта равна:

[математика] E_T = E_K + E_P [/ математика]

• [математика] E_T [/ математика] — это полная энергия объекта.
• [математика] E_K [/ математика] — кинетическая энергия объекта.
• [математика] E_P [/ математика] — это потенциальная энергия объекта.

Температура — это прямое измерение тепловой энергии, то есть чем горячее объект, тем больше у него тепловой энергии. Тепло является мерой того, сколько тепловой энергии передается между двумя системами.

Механическую энергию легко превратить в тепловую энергию, например, используя трение. Также можно превратить тепловую энергию в механическую с помощью теплового двигателя, но при этом методе всегда будет отработанное тепло.

Удельная теплоемкость

Удельная теплоемкость вещества — это количество энергии, необходимое для повышения температуры одного килограмма этого вещества на один градус Кельвина (или по Цельсию, если вы не в лаборатории).

Скрытое тепло (энтальпия)

Скрытое тепло вещества — это тепло, необходимое объекту для изменения состояний, также называемое фазовым переходом. Вообще говоря, значения для скрытых плавок намного выше, чем для удельной теплоемкости. Это также называется энтальпией. ^[1]

Лед и вода связаны с огромным скрытым нагревом, поэтому снег тает так долго, а вода используется для приготовления пищи. Это также важно для обеспечения комфортного проживания на нашей планете и обеспечивает достаточную устойчивость к изменению климата.

PhET: Трение увеличивает тепловую энергию

Университет Колорадо любезно позволил нам использовать следующую симуляцию PhET. Изучите приведенную ниже модель, чтобы получить физическое представление о том, как трение может увеличить тепловую энергию и превратить макроскопическое движение в микроскопическое.

Рекомендации

1. ↑ Рэндалл Найт, Физика для ученых и инженеров, 3-е изд. Нью-Йорк: Pearson, 2013, Ch. 17, стр. 482.

,

Кинетическая энергия — Энергетическое образование

Кинетическая энергия — это энергия движения. Это может быть движение крупных объектов (макроскопическая кинетическая энергия) или движение малых атомов и молекул (микроскопическая кинетическая энергия). Макроскопическая кинетическая энергия — это энергия «высокого качества», тогда как микроскопическая кинетическая энергия более беспорядочная и «некачественная». ^[1]

Существует симуляция для игры с потенциальной энергией, которая показывает взаимодействие гравитационной потенциальной энергии, кинетической энергии и энергии пружины.Приведенное ниже моделирование показывает, как энергия течет назад и вперед между кинетической энергией и потенциальной гравитационной энергией, а другое моделирование, приведенное ниже, показывает, как трение превращает макроскопическую кинетическую энергию в микроскопическую кинетическую энергию.

Вращательная кинетическая энергия также является формой кинетической энергии, которая исходит от вращающегося объекта.

Макроскопическая кинетическая энергия

Это самая очевидная форма энергии, поскольку ее легче всего наблюдать. Это энергия, которой обладают движущиеся объекты.2 [/ математика]

1. Чем больше масса движущегося объекта, тем больше кинетической энергии он будет обладать с той же скоростью. Автомобиль весом 2000 кг, движущийся со скоростью 14 м / с, имеет в два раза больше кинетической энергии, чем автомобиль весом 1000 кг, движущийся с эквивалентными 14 м / с.
2. Поскольку член скорости в этой формуле возводится в квадрат, скорость оказывает гораздо большее влияние, чем масса, на кинетическую энергию. Автомобиль, движущийся со скоростью, в два раза превышающей скорость другого автомобиля идентичной массы, будет иметь 2 ² или в четыре раза больше кинетической энергии.Автомобиль, движущийся в три раза быстрее базовой скорости, будет иметь в 3 ² или в 9 раз больше исходной кинетической энергии!

Некоторые способы использования макроскопической кинетической энергии включают в себя:

Энергия ветра использует кинетическую энергию, которой обладают движущиеся тела воздуха (ветра), превращая ее в электричество. Сам ветер изначально создается посредством сложных схем изменения тепловой энергии, когда атмосфера и океаны нагреваются и охлаждаются солнцем. (Солнце фактически не охлаждает объекты, но солнце никогда не светит на объекте на Земле все время!)

ГЭС использует кинетическую энергию движущейся воды при ее падении (в водопаде или гидроэлектростанции)

Приливная сила использует энергию движущейся воды, которая движется назад и вперед из-за приливов и отливов.

PhET: парк энергетических коньков

Университет Колорадо любезно позволил нам использовать следующую симуляцию PhET.Изучите это моделирование, чтобы увидеть, как потенциальная гравитационная энергия и кинетическая энергия движутся взад и вперед, но сохраняют механическую энергию одинаковой. Обратите внимание, как механическая энергия может быть потеряна и превращена в тепловую энергию, но общее количество энергии остается неизменным:

Микроскопическая кинетическая энергия

Тепловая энергия (температура) — это особый тип кинетической энергии. Это не энергия самого движущегося объекта — это полная энергия движения, вращения и вибрации атомов и молекул внутри объекта.В газе или газовой смеси, такой как воздух, движение (и вращение) отдельных частиц газа составляет эту энергию. В твердом теле, как стол, тепловая энергия существует в виде колебаний атомов или молекул. Общая тепловая энергия также включает в себя некоторые атомные формы потенциальной энергии, но кинетическая энергия частиц является наиболее простой для фокусировки. Температура объекта определяется его общей микроскопической кинетической энергией.

Хотя не вся микроскопическая кинетическая энергия может быть превращена в полезную работу, тепловой двигатель может получить часть тепловой энергии и превратить ее в полезную работу (хотя это ограничено вторым законом термодинамики).

PhET Simulation

Университет Колорадо любезно позволил нам использовать следующую симуляцию PhET. Это моделирование исследует, как макроскопическая кинетическая энергия становится микроскопической кинетической энергией:

Чтобы узнать больше о кинетической энергии, смотрите гиперфизику.

Рекомендации

1. ↑ Wolfson, Энергетика, окружающая среда и климат, Второе изд. Нью-Йорк, США: W.W. Нортон, 2010

,

No related posts.

Разное