Оглавление:
Энергия, закон сохранения энергии
Этот видеоурок доступен по абонементу
У вас уже есть абонемент? Войти
На этом уроке мы рассмотрим ряд физических опытов и дадим определение механической энергии, узнаем, какой буквой она обозначается и в каких единицах СИ измеряется. Познакомимся с двумя видами механической энергии, а также узнаем, чем они отличаются и по каким формулам находятся. Познакомимся с переходом энергии из одной в другую при различных состояниях тела и сформулируем закон сохранения энергии
Бросим теннисный мяч с определенной высоты, он ускорится (в результате – упадет), сила тяжести совершит работу (рис. 1).
Рис. 1. Иллюстрация к опыту 1
Поместим динамометр горизонтально вдоль плоскости стола, прикрепим к нему груз и растянем динамометр. Отпустив, пружина примет свое первоначальное состояние до растяжения и потянет груз за собой. Пружина совершила работу (рис. 2).
Рис. 2. Иллюстрация к опыту 2
Возьмем игрушечную машинку, придав ей скорость, толкнем в сторону деревянного кубика. Машинка, ударившись о кубик, сдвинула его, тем самым совершив работу по перемещению кубика.
Во всех этих опытах тело или несколько тел могут совершить работу, значит, они обладают энергией.
Механическая энергия
Механическая энергия – это способность тела или системы взаимодействующих тел совершить механическую работу.
Е – обозначение энергии или полной энергии в физике.
Будем находить энергию через максимальную работу 
, так же, как и работа, энергия в системе СИ измеряется в джоулях [Дж].
В механике энергия представлена двумя видами:
Потенциальная энергия (П) – энергия взаимодействия
Кинетическая энергия (К) – энергия движения
Полная механическая энергия
Рассмотрим случай, когда резиновый шарик находится на высоте h и у нас есть нулевой уровень. В этом случае потенциальная энергия (П) находится по формуле, с которой мы познакомились в предыдущих уроках, а кинетическая энергия (К) будет равна нулю, потому что тело неподвижно, скорость равна нулю (рис. 3).
Рис. 3. Иллюстрация к примеру
Все меняется, когда шарик отпускается, высота уменьшается, потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая возрастает. Перед самым падением, у поверхности, скорость достигнет максимума так же, как и кинетическая энергия. Кинетическую энергию находим по формуле приведенной ранее, а потенциальная энергия будет равна нулю, так как шарик находится на нулевом уровне (рис. 4).
Рис. 4. Иллюстрация к примеру
Исходя из этого опыта, делаем вывод, что потенциальная энергия может переходить в кинетическую. При падении шарика потенциальная энергия переходит в кинетическую, а при подъеме шарика после отскока кинетическая энергия переходит в потенциальную. В этом и заключается закон сохранения энергии.
Заключение
На уроке мы выяснили, что если одно тело или система взаимодействующих тел могут совершить механическую работу, то они обладают энергией, часто эту энергию называют полной механической энергией (Е). Измеряется она в Дж, потому что равна максимальной работе. Выяснили, что в механике энергия представляется двумя видами энергии: кинетической (К) и потенциальной (П), а полная механическая энергия – это их сумма. Разобрались, что каждый вид энергии может переходить в другой, но при этом полная механическая энергия – величина постоянная.
Список литературы
- Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7–9 классов общеобразовательных учреждений. – 17-е изд. – М.: Просвещение, 2004.
- Перышкин А.В. Физика. 7 кл. – 14-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2010.
- Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7–9 кл.: 5-е изд., стереотип. – М: Издательство «Экзамен», 2010.
Домашнее задание
- Вычислите работу, которую совершает кран при подъеме груза массой 2 т на высоту 20 м.
- Какова кинетическая энергия автомобиля массой 1 т, движущегося со скоростью 36 км/ч?
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет-портал School-collection.edu.ru (Источник).
- Интернет-портал Physics.ru (Источник).
- Интернет-портал Fxyz.ru (Источник).
Если вы нашли ошибку или неработающую ссылку, пожалуйста, сообщите нам – сделайте свой вклад в развитие проекта. 
interneturok.ru
Кинетическая и потенциальная энергия (2)
Главная > Реферат >Физика
Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Единица измерения в системе СИ — Джоуль. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением.
Рассмотрим случай, когда на тело массой m действует постоянная сила 
(она может быть равнодействующей нескольких сил) и векторы силы и перемещения 
направлены вдоль одной прямой в одну сторону. В этом случае работу силы можно определить как A = F∙s. Модуль силы по второму закону Ньютона равен F = m∙a, а модуль перемещения s при равноускоренном прямолинейном движении связан с модулями начальной υ1 и конечной υ2 скорости и ускорения а выражением
Отсюда для работы получаем
(1)
Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела.
Кинетическая энергия обозначается буквой Ek.
(2)
Тогда равенство (1) можно записать в таком виде:
Теорема о кинетической энергии:
работа равнодействующей сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела.
Так как изменение кинетической энергии равно работе силы (3), кинетическая энергия тела выражается в тех же единицах, что и работа, т. е. в джоулях.
Если начальная скорость движения тела массой т равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения υ, то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:
(4)
Физический смысл кинетической энергии:
кинетическая энергия тела, движущегося со скоростью υ, показывает, какую работу должна совершить сила, действующая на покоящееся тело, чтобы сообщить ему эту скорость.
Потенциальная энергия — минимальная работа, которую необходимо совершить, чтобы перенести тело из некой точки отсчёта в данную точку в поле консервативных сил. Второе определение: потенциальная энергия — это функция координат, являющаяся слагаемым в лагранжиане системы, и описывающая взаимодействие элементов системы. Третье определение: потенциальная энергия — это энергия взаимодействия. Единицы измерения [Дж]
Потенциальная энергия принимается равной нулю для некоторой точки пространства, выбор которой определяется удобством дальнейших вычислений. Процесс выбора данной точки называется нормировкой потенциальной энергии. Понятно также, что корректное определение потенциальной энергии может быть дано только в поле сил, работа которых зависит только от начального и конечного положения тела, но не от траектории его перемещения. Такие силы называются консервативными.
Потенциальная энергия поднятого над Землей тела – это энергия взаимодействия тела и Земли гравитационными силами. Потенциальная энергия упруго деформированного тела – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.
Потенциальными называются силы, работа которых зависит только от начального и конечного положения движущейся материальной точки или тела и не зависит от формы траектории.
При замкнутой траектории работа потенциальной силы всегда равна нулю. К потенциальным силам относятся силы тяготения, силы упругости, электростатические силы и некоторые другие.
Силы, работа которых зависит от формы траектории, называются непотенциальными. При перемещении материальной точки или тела по замкнутой траектории работа непотенциальной силы не равна нулю.
Потенциальная энергия взаимодействия тела с Землей.
Найдем работу, совершаемую силой тяжести Fт при перемещении тела массой т вертикально вниз с высоты h1 над поверхностью Земли до высоты h2 (рис. 1).
Если разность h1 – h2 пренебрежимо мала по сравнению с расстоянием до центра Земли, то силу тяжести Fт во время движения тела можно считать постоянной и равной mg.
Так как перемещение совпадает по направлению с вектором силы тяжести, работа силы тяжести равна
Рассмотрим теперь движение тела по наклонной плоскости. При перемещении тела вниз по наклонной плоскости (рис. 2) сила тяжести Fт = m∙g совершает работу
где h – высота наклонной плоскости, s – модуль перемещения, равный длине наклонной плоскости.
Движение тела из точки В в точку С по любой траектории (рис. 3) можно мысленно представить состоящим из перемещений по участкам наклонных плоскостей с различными высотами h’, h» и т. д. Работа А силы тяжести на всем пути из В в С равна сумме работ на отдельных участках пути:
(7)
где h1 и h2 – высоты от поверхности Земли, на которых расположены соответственно точки В и С.
Равенство (7) показывает, что работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях.
При движении вниз работа силы тяжести положительна, при движении вверх – отрицательна. Работа силы тяжести на замкнутой траектории равна нулю.
Равенство (7) можно представить в таком виде:
Физическую величину, равную произведению массы тела на модуль ускорения свободного падения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли.
Работа силы тяжести при перемещении тела массой т из точки, расположенной на высоте h2, в точку, расположенную на высоте h1 от поверхности Земли, по любой траектории равна изменению потенциальной энергии взаимодействия тела и Земли, взятому с противоположным знаком.
Потенциальная энергия обозначается буквой Ер.
Значение потенциальной энергии тела, поднятого над Землей, зависит от выбора нулевого уровня, т. е. высоты, на которой потенциальная энергия принимается равной нулю. Обычно принимают, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю.
При таком выборе нулевого уровня потенциальная энергия Ер тела, находящегося на высоте h над поверхностью Земли, равна произведению массы m тела на модуль ускорения свободного падения g и расстояние h его от поверхности Земли:
Физический смысл потенциальной энергии взаимодействия тела с Землей:
потенциальная энергия тела, на которое действует сила тяжести, равна работе, совершаемой силой тяжести при перемещении тела на нулевой уровень.
В отличие от кинетической энергии поступательного движения, которая может иметь лишь положительные значения, потенциальная энергия тела может быть как положительной, так и отрицательной. Тело массой m, находящееся на высоте h, где h
works.doklad.ru
Работа. Механическая энергия. Кинетическая и потенциальная энергия
Работа совершается в природе всегда, когда какое-либо тело в направлении его движения или против него действует сила (или несколько сил) со стороны другого тела (других тел).
Работа силы равна произведению модулей силы и перемещения точки приложения силы и на косинус угла между ними.
А= F·S·соs
, где А – работа, (Дж); F – сила, (Н); S- перемещение, (м).
Если угол 
равен между векторами F и S равен 90 0 , то А= F·S.
Работа силы – это величина, равная произведению силы, приложенной к телу на величину перемещения. Работа силы – скалярная величина. Она может быть положительной, отрицательной или равна нулю. Знак работы определяется знаком косинуса угла между силой и перемещением. Если 
0 , то А>0, тогда как косинус острых углов положителен. При >90 0 работа отрицательна, т.к. косинус тупых углов отрицателен. При =90 0 (сила перпендикулярна перемещению) работа не совершается. В СИ работа измеряется в джоулях (Дж). 1Дж = 1Н·м. Итак, джоуль – это работа, совершаемая силой 1Н на перемещении 1м, если направленная сила и перемещения совпадают.
Энергия характеризует способность тела (или система тел) совершать работу.
Различают два вида механической энергии – кинетическая Ек и потенциальная Еп.
Обратим внимание, что у работы и энергии одинаковые единицы измерения. Это означает, что работа может переходить в энергию. Например, для того, чтобы тело поднять на некоторую высоту, тогда оно будет обладать потенциальной энергией, необходима сила, которая совершит эту работу. Работа силы по поднятию перейдет в потенциальную энергию.
Полная механическая энергия замкнутой системы тел равна сумме потенциальной и кинетической энергий системы: Е = Ек +Еп.
Закон сохранения механической энергии гласит : В изолированно системе, в которой действуют консервативные силы, механическая энергия сохраняется: Е = Ек +Еп = const.
Энергия не создается и не уничтожается, а только превращается из одной формы в другую: из кинетической в потенциальную и наоборот. Учитывая значение Ек и Еп, закон сохранения механической
энергии можно записать так: 
В состоянии 2 тело обладает кинетической энергией (так как уже развило скорость), но при этом потенциальная энергия уменьшилась, так как h2 меньше h1. Часть потенциальной энергии перешло в кинетическую.
Состояние 3 — это состояние перед самой остановкой. Тело как бы только-только дотронулось до земли, при этом скорость максимальная. Тело обладает максимальной кинетической энергией. Потенциальная энергия равна нулю (тело находится на Земле).
Полные механические энергии равны между собой , если пренебрегать силой сопротивления воздуха.
kaplio.ru
Энергия кинетическая и потенциальная энергия закон сохранения энергии
Мышцы, приводящие в движение звенья тела, совершают механическую работу.
Работа в некотором направлении – это произведение силы (F), действующей в направлении перемещения тела на пройденный им путь (S): А = F • S.
Выполнение работы требует энергии. Следовательно, при выполнении работы энергия в системе уменьшается. Поскольку для того чтобы была совершена работа, необходим запас энергии, последнюю можно определить следующим образом: Энергия – это возможность совершить работу, это некоторая мера имеющегося в механической системе « ресурса» для её выполнения. Кроме того, энергия – это мера перехода одного вида движения в другой.
В биомеханике рассматривают следующие основные виды энергии:
• потенциальная, зависящая от взаимного расположения элементов механической системы тела человека;
• кинетическая поступательного движения;
• кинетическая вращательного движения;
• потенциальная деформации элементов системы;
Полная энергия биомеханической системы равна сумме всех перечисленных видов энергии.
Поднимая тело, сжимая пружину, можно накопить энергию в форме потенциальной для последующего её использования. Потенциальная энергия всегда связана с той или иной силой, действующей со стороны одного тела на другое. Например, Земля силой тяжести действует на падающий предмет, сжатая пружина – на шарик, натянутая тетива – на стрелу.
Потенциальная энергия – это энергия, которой обладает тело благодаря своему положению по отношению к другим телам, или благодаря взаимному расположению частей одного тела.
Стало быть сила тяготения и упругая сила являются потенциальными.
Гравитационная потенциальная энергия: Еп = m • g • h
Потенциальная энергия упругих тел: 
, где k – жёсткость пружины; х – её деформация.
Из приведённых примеров видно, что энергию можно накопить в форме потенциальной энергии (поднять тело, сжать пружину) для последующего использования.
В биомеханике рассматривают и учитывают два вида потенциальной энергии: обусловленную взаимным расположением звеньев тела к поверхности Земли (гравитационная потенциальная энергия); связанную с упругой деформацией элементов биомеханической системы (кости, мышцы, связки) или каких-либо внешних объектов (спортивных снарядов, инвентаря).
Кинетическая энергия запасается в теле при движении. Движущееся тело совершает работу за счёт её убыли. Поскольку звенья тела и тело человека совершают поступательное и вращательное движения, суммарная кинетическая энергия (Ек) будет равна: 
, где m – масса, V – линейная скорость, J – момент инерции системы, ω – угловая скорость.
Энергия поступает в биомеханическую систему за счёт протекания в мышцах метаболических обменных процессов. Изменение энергии, в результате которого совершается работа, не является высокоэффективным процессом в биомеханической системе, то есть не вся энергия переходит в полезную работу. Часть энергии теряется необратимо, переходя в тепло: только 25 % используется для выполнения работы, остальные 75 % преобразуются и рассеиваются в организме.
Для биомеханической системы применяют закон сохранения энергии механического движения в форме:
Епол = Ек + Епот + U,
где Епол – полная механическая энергия системы; Ек – кинетическая энергия системы; Епот – потенциальная энергия системы; U – внутренняя энергия системы, представляющая в основном тепловую энергию.
Полная энергия механического движения биомеханической системы имеет в своей основе два следующих источника энергии: метаболические реакции в организме человека и механическая энергия внешней среды (деформирующихся элементов спортивных снарядов, инвентаря, опорных поверхностей; противников при контактных взаимодействиях). Передаётся эта энергия посредством внешних сил.
Особенностью энергопродукции в биомеханической системе является то, что одна часть энергии при движении расходуется на совершение необходимого двигательного действия, другая идёт на необратимое рассеивание запасённой энергии, третья сохраняется и используется при последующем движении. При расчёте затрачиваемой при движениях энергии и совершаемой при этом механической работы тело человека представляют в виде модели многозвеньевой биомеханической системы, аналогичной анатомическому строению. Движения отдельного звена и движения тела в целом рассматривают в виде двух более простых видов движения: поступательного и вращательного.
Полную механическую энергию некоторого i-го звена (Епол) можно подсчитать как сумму потенциальной (Епот) и кинетической энергии (Ек). В свою очередь Ек можно представить как сумму кинетической энергии центра масс звена (Ек.ц.м.), в которой сосредоточена вся масса звена, и кинетической энергии вращения звена относительно центра масс (Ек. Вр.).
Если известна кинематика движения звена, это общее выражение для полной энергии звена будет иметь вид: 
, где mi – масса i-го звена; ĝ – ускорение свободного падения; hi – высота центра масс над некоторым нулевым уровнем (например, над поверхностью Земли в данном месте); 
— скорость поступательного движения центра масс; Ji – момент инерции i- го звена относительно мгновенной оси вращения, проходящей через центр масс; ω – мгновенная угловая скорость вращения относительно мгновенной оси.
Работа по изменению полной механической энергии звена (Аi) за время работы от момента t1 до момента t2 равна разности значений энергии в конечный (Еп(t2)) и начальный (Еп(t1)) моменты движения: 
Естественно, в данном случае работа затрачивается на изменение потенциальной и кинетической энергии звена.
Если величина работы Аi > 0, то есть энергия увеличилась, то говорят, что над звеном совершена положительная работа. Если же Аi
opace.ru
Кинетическая и потенциальная энергия. Закон сохранения энергии механических процессов
Если тело или система тел могут совершить работу, то они обладают энергией.
Энергия – это физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело.
Энергия обозначается буквой Е, измеряется в Джоулях (Дж).
Механическая энергия бывает двух видов: кинетическая и потенциальная.
Кинетической энергией называется величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости. 
Кинетическая энергия – это энергия движения. Например, кинетической энергией обладает двигающаяся машина, летящий воздушный шарик и т.д.
Потенциальная энергия определяется положением тела по отношению к другим телам или взаимным расположением частей одного и того же тела.
Величину, равную произведению массы тела на ускорение свободного падения и на высоту тела над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией взаимодействия тела и Земли. 
Величину, равную половине произведения коэффициента упругости на квадрат деформации, называют потенциальной энергией упруго деформированного тела. 
Например, потенциальной энергией обладает подброшенный на высоту мяч или сжатая пружина.
Для замкнутой системы тел выполняется закон сохранения энергии: полная механическая энергия тела или замкнутой системы тел остаётся постоянной (если не действуют силы трения). 
studopedia.ru