asyan.org
добавить свой файл
1
Взаємні перетворення потенціальної і кінетичної енергії в механічних процесах. Повна механічна енергія.

Мета уроку: розглянути взаємні перетворення потенціальної і кінетичної енергії в механічних процесах, сформулювати фізичний зміст закону збереження повної механічної енергії; навчити учнів розв’язувати стандартні задачі з даної теми; розвивати творче мислення; виховувати пізнавальний інтерес і такі якості як самостійність, працелюбність, бажання отримувати знання.

Тип уроку: комбінований.

Хід уроку.

І. Організаційний момент.

Оголошення теми і мети уроку.

ІІ. Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота (15 хв). 10 клас.

  1. Яке із тіл має імпульс? А. Біля пристані стоїть пасажирський теплохід. Б. На постаменті стоїть «Цар-дзвін». В. Із моря вистрибує дельфін. Г. На столі лежить книжка.

  2. У конструкції якого з транспортних засобів використано принцип реактивного руху? А. Дирижабль. Б. Турбогвинтовий літак. В. Автомобіль. Г. Катер з водометним двигуном.

  3. Яка із живих істот використовує принцип реактивного руху? А. Акула. Б. Медуза. В. Краб. Г. Тюлень.

  4. Снаряд, що летів горизонтально зі швидкістю 200 м/с, розірвався на два осколки масами 4 кг і 6 кг. Знайдіть імпульс снаряда до розриву.

  5. Куля масою 10 г, яка летить горизонтально, потрапляє в дерев’яний брусок масою 100г, що лежить на гладкому столі, і застряє в ньому. Швидкість кулі 110 м/с.

А. Імпульс кулі, що летить, дорівнює 1100 кг∙м/с.

Б. Після попадання кулі в брусок імпульс кулі не змінюється.

В. Сумарний імпульс кулі та бруска перед попаданням кулі в брусок

більший, ніж після того як куля застрягне в бруску.

Г. Після попадання кулі в брусок сумарний імпульс кулі та бруска

дорівнює 1,1 кг∙м/с.

6. Вантажний і легковий автомобілі рухаються по прямій дорозі назустріч

один одному. Маса вантажного автомобіля 5 т, а маса легкового

автомобіля 2,5 т. Швидкість вантажного автомобіля 60 км/год, а

швидкість легкового 120 км/год.

А. Імпульси вантажного і легкового автомобілів напрямлені однаково.

Б. Імпульс легкового автомобіля 48 кг∙м/с.

В. Імпульс вантажного автомобіля 300 кг∙м/с.

Г. Імпульси обох автомобілів рівні за модулем.

7. Висота греблі Дніпровської гідроелектростанції близько 60 м.

Потужність водяного потоку 7200 МВт. Знайдіть об’єм води, що падає

з греблі за 1 хв.

8. Вантаж масою 2т піднімають рівноприскорено за допомогою

підйомного крана на висоту 8 м з прискоренням 1 м/с. Яку роботу

виконано силою натягу троса?

9. Визначте роботу сили тертя, якщо сани масою 200 кг переміщаються по

горизонтальній дорозі на 500м. Коефіцієнт тертя дорівнює 0,1.

10. Ковзаняр за інерцією проїжджає до зупинки 80 м. Визначте роботу

сили тертя, якщо маса ковзаняра 60 кг, а коефіцієнт тертя 0,015.

ІІІ. Пояснення нового матеріалу.

Закон збереження енергії - закон, який стверджує, що повна енергія в ізольованих системах не змінюється з часом. Проте енергія може перетворюватися з одного виду в інший. У термодинаміці закон збереження енергії відомий також під назвою першого закону термодинаміки. Закон збереження енергії є, мабуть, найважливішим із законів збереження, які застосовуються в фізиці.

Для деяких механічних систем на закон збереження вказував ще Лейбніц у 1686 р., для немеханічних процесів закон був встановлений Ю.Р. Майєром у 1845 р., Джеймсом Прескоттом Джоулем у 1843-1850 роках та Германом фон Гельмгольцем у 1847 році.

У механіці, закон збереження енергії твердить, що в замкненій системі часток, повна енергія, що є сумою кінетичної і потенціальної енергії не залежить від часу, тобто є інтегралом руху.

Закон збереження енергії справедливий тільки для замкнених систем, тобто за умови відсутності зовнішніх полів чи взаємодій.

Сили взаємодії між тілами, для яких виконується закон збереження механічної енергії називаються консервативними силами.

Закон збереження механічної енергії не виконується для сил тертя, оскільки за наявності сил тертя відбувається перетворення механічної енергії в теплову.

^ Закон збереження і перетворення енергії.

Для обох видів механічної енергії є спільна властивість: при виконанні роботи енергія тіла завжди змінюється.

^ Як змінюється повна механічна енергія тіла?

Піднятий над поверхнею Землі м'яч має певну потенціальну процесі падіння швидкість м'яча збільшується, тобто збільшується його кінетична енергія. Внаслідок виконання роботи силою тяжіння кінетична енергія м'яча збільшилася. Проте зменшилася потенціальна енергія. Отже, можна сказати, що кінетична і потенціальна енергії пов'язані одна з одною. Зі збільшенням кінетичної енергії зменшується потенціальна енергія, і навпаки. Кинутий вгору м'яч має спочатку велику швидкість і відповідно кінетичну енергію. При підніманні м'яча вгору збільшується його потенціальна енергія, але швидкість і кінетична енергія м'яча поступово зменшуються.

Отже, тіло одночасно може мати як кінетичну, так і потенціальну енергії.

Який зв'язок між кінетичною і потенціальною енергією тіла

Мірою зміни кінетичної і потенціальної енергій є робота. При зміні потенціальної енергії тіла, що рухається вниз, виконується робота силою тяжіння. За рахунок цієї роботи відбувається збільшення кінетичної енергії. Якщо на дане тіло не діють сили тертя, то його повна механічна енергія залишається сталою. Це один із важливих законів природи, який потрібно враховувати при розрахунках параметрів руху тіл.

Зобразимо графічно залежність потенціальної і кінетичної енергій. Якщо потенціальна енергія пропорційна висоті, то графіком буде пряма лінія. Кінетична енергія буде зменшуватися зі збільшенням висоти, тобто буде пропорційною висоті. Ця залежність виразиться також прямою лінією.

Сума кінетичної і потенціальної енергій

Накладемо обидва графіки один на одний і визначимо суму енергій для довільної висоти (мал. 131). Неважко ПОМІТИТИ, ЩО сума енергій для довільної висоти тіла над поверхнею Землі буде однаковою. Це свідчить про те, що повна механічна енергія зберігається за умови відсутності сил тертя. У цьому суть закону збереження і перетворення механічної енергії. Те, що відсутні перетворення механічної енергії в інші види енергії, постулюють, вводячи поняття замкнутої системи. Усі перетворення механічної енергії відбуваються в межах цієї системи. Замкнуту систему в певному наближенні утворюють маятник і Земля. За відсутності сил тертя в цій системі відбуваються неперервні перетворення потенціальної і кінетичної енергій.

Як формулюється закон збереження і перетворення механічної енергії

З цього формулювання закону можна зробити деякі висновки. Зокрема, висновок про те, що механічна енергія не виникає і не і зникає безслідно. Вона лише перетворюється з одного виду в інший. Мірою перетворення енергії з одного виду в інший є робота.

Сума кінетичної і потенціальної енергій ізольованого тіла в замкнутій системі, у якій відсутні сили тертя, залишається сталою.

!!! Енергія притаманна всім явищам у природі

Поняття енергії є універсальним. Воно стосується усіх природних процесів. Так, якщо брусок при ковзанні вниз похилою площиною зменшує свою швидкість аж до повної зупинки, то дошка похилої площини і сам брусок нагріваються. Розрахунки енергії, яка перетворилася в теплову, покажуть, що зміна механічної енергії бруска дорівнює тепловій енергії. Тому закон збереження і перетворення механічної енергії є окремим проявом більш загального закону природи - закону збереження і перетворення енергії.

^ Як формулюється закон збереження і перетворення енергії?

Енергія ні з чого не виникає і не зникає безслідно. Вона лише перетворюється в рівній мірі з одного виду в інший.

^ Сума кінетичної і потенціальної енергій ізольованого тіла в замкнутій системі, у якій відсутні сили тертя, залишається сталою.

Першовідкривачем цього закону, властивого для всіх процесів у природі, є англійський природодослідник Роберт Майєр.

^ Юліус Роберт Майєр (1814-1878) — англійський природодослідник, першим відкрив фундаментальний закон збереження енергії при дослідженні життєдіяльності живих організмів у різних кліматичних умовах.

^ Використання закону збереження і перетворення енергії.

Закон збереження і перетворення енергії знайшов застосування в різних галузях техніки і виробництва. Так, біля багатьох гідроелектростанцій побудовані так звані гідроакумулюючі станції. У період, коли споживання електроенергії мале, вода з основної водойми не зливається через греблю, а продовжує обертати лопаті турбін, з'єднаних з генераторами. Вироблений електричний струм приводить в дію електричні двигуни насосів, які закачують воду у водойми, розміщені вище від рівня основної. У період збільшеного споживання струму вода з цієї водойми обертає турбіни і виробляє додаткову енергію. Таким чином кінетична енергія падаючої води перетворюється в потенціальну енергію води в акумулюючій водоймі, яка потім знову перетворюється в кінетичну енергію падаючої води.

Відкриття закону збереження і перетворення енергії спричинило закриття цілого напрямку в науці, коли вчені намагалися створити пристрій, який виконував би роботу без споживання енергії ззовні. Такий двигун дістав назву вічного двигуна (perpetuum mobile). Закон збереження і перетворення енергії виявився настільки незаперечним, що Паризька академія наук, один із найавторитетніших наукових закладів світу, ще в 1755 р. постановила залишати без розгляду всі заяви і пропозиції, що стосуються вічного двигуна.

ІV. Закріплення нового матеріалу.

1. Які перетворення механічної енергії відбуваються при падінні тіла в безповітряному просторі?

2. Як відбувається перетворення потенціальної енергії в кінетичну?

3. Як підтвердити закон збереження механічної енергії тіла, що падає?

4. Яка фізична величина є мірою перетворення енергії?

5. Як формулюється закон збереження і перетворення механічної енергії?

6. Чому не можна побудувати вічний двигун?

Задачі.

1. М'яч, підкинутий угору, через деякий час упав на землю.

Які перетворення механічної енергії при цьому відбулися? Чи відбувалися при цьому інші перетворення енергії?

2. Під час скочування з гори санок їх швидкість збільшується. Чому?

3. Тіло масою 2 кг підняте над землею на висоту 10 м. Визначити потенціальну енергію цього тіла. Яку потенціальну енергію воно матиме на висоті 5 м при вільному падінні? Де поділася решта енергії тіла?

4. Молот копра для забивання паль має масу 600 кг. Він піднімається на висоту 12 м. Визначити кінетичну енергію молота в момент удару обпалю після його вільного падіння без тертя. Яка робота виконується за один удар молота?

Домашнє завдання: §35 (п.3,4,5), §36.