УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 10 клас

2-й семестр

 

МЕХАНІКА

 

3. Закони збереження в механіці

Урок 7/51

Тема. Механічна енергія

 

Мета уроку: розкрити учням сутність поняття «енергія»; ознайомити їх з видами механічної енергії

Тип уроку: вивчення нового матеріалу

План уроку

Демонстрації

6 хв.

1. Енергія тіла, піднятого на певну висоту над землею.

2. Енергія деформованої пружини.

3. Перехід потенційної енергії в кінетичну і назад

Вивчення нового матеріалу

30 хв.

1. Механічна енергія.

2. Кінетична енергія.

3. Потенціальна енергія

Закріплення вивченого матеріалу

9 хв.

1. Тренуємося розв’язувати задачі.

2. Контрольні запитання

 

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Механічна енергія

У загальному випадку енергія характеризує рух і взаємодію різних видів матерії. Механічна енергія — це величина, що характеризує відносний рух тіл та їхню взаємодію, їхню 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, що взаємодіють, змінюється їхнє взаємне положення. Крім того, унаслідок здійснення роботи може змінюватися швидкість тіл. Тобто тіло може виконати роботу лише в разі зміни свого механічного стану: змінюється або взаємне положення тіл, або їхні швидкості, або й те й інше.

Коли м’яч падає вниз, змінюється його положення відносно Землі. У разі деформації пружини змінюється взаємне положення частинок, що взаємодіють та з яких складається речовина пружини.

Ø  Здатність тіла виконувати роботу внаслідок зміни свого стану характеризують фізичною величиною, що називається енергією.

Механічна енергія тіла визначається механічним станом тіла, тобто взаємним положенням тіл та їхніх 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 самих одиницях, що й робота. Отже, одиницею вимірювання 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.

2. Кінетична енергія

Обчислимо роботу постійної сили , що діє на тіло масою m у випадку, коли тіло рухається прямолінійно, і напрям сили збігається з напрямом швидкості.

Нехай тіло здійснило переміщення . У початковій точці спостереження тіло має швидкість 0, а в кінцевій — . Спрямуємо вісь х так, щоб усі вектори мали з нею однаковий напрям (див. рис.).

 

 

Проекції всіх векторів дорівнюють модулям цих векторів. Робота сили дорівнює А = Fs, де F = mа. У разі прямолінійного рівноприскореного руху переміщення тіла та швидкість пов’язані співвідношенням:

Підставляючи у формулу роботи вираз для F і s, маємо:

Величину, що дорівнює половині добутку маси тіла на квадрат його швидкості, називають кінетичною енергією тіла:

Будь-яке тіло, що рухається, має кінетичну енергію, пропорційну його масі та квадрату швидкості.

Ø  Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною 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 зазначається, зазвичай мають на увазі систему відліку, пов’язану із Землею.

З урахуванням визначення кінетичної енергії можна записати:

Отже,

Ø  робота сили дорівнює зміні кінетичної енергії тіла.

Це твердження називають теоремою про кінетичну енергію. Якщо в початковий момент часу тіло нерухоме, то

A = Wk.

У цьому полягає фізичний зміст кінетичної енергії:

Ø  кінетична енергія тіла масою m, що рухається зі швидкістю v, дорівнює роботі, яку виконує сила, аби передати тілу, що перебуває в стані спокою, цю швидкість.

Кінетична енергія збільшується, якщо робота сили позитивна, і зменшується внаслідок негативної роботи.

3. Потенціальна енергія

Підняте над Землею тіло виконує роботу, коли воно рухається вниз. При цьому змінюється взаємне положення тіла й Землі, які діють одне на одного.

Ø  Фізичну величину, яка характеризує здатність системи тіл (частин тіла, що взаємодіють), виконувати роботу внаслідок зміни їх взаємного положення, називають потенційною енергією.

З’ясуємо, чому дорівнює потенціальна енергія піднятого вантажу. Під час падіння вантажу сила тяжіння виконує роботу A=mgh. Отже, якщо з нульовим значенням потенційної енергії зіставити положення вантажу на поверхні Землі, то потенціальна енергія піднятого вантажу Wp = mgh.

Коли роботу виконує деформована пружина, змінюється взаємне положення частинок, з яких складається пружина та які діють одна на одну.

Коли деформація пружини зменшується від початкового значення х до нуля, сила пружності виконує роботу

Отже,

Ø  потенціальна енергія деформованої пружини:

Ця формула означає, що робота сили пружності дорівнює зміні потенційної енергії пружини, узятій з протилежним знаком.

Зміна потенційної енергії вимірюється роботою, яку може виконати система тіл унаслідок зміни взаємного положення цих тіл. Якщо всі тіла системи повернулися у своє початкове положення, потенціальна енергія системи не змінилася. Отже,

Ø  потенційну енергію можна визначити лише для сил, робота яких під час руху замкнутою траєкторією дорівнює нулю.

А цю умову, як ми вже знаємо, задовольняють лише дві з розглянутих у механіці сили — сила тяжіння й сила пружності. Тому для цих сил можна використовувати поняття потенційної енергії. А от робота сили тертя під час руху замкнутою траєкторією завжди відрізняється від нуля, тому для сили тертя обчислити потенційну енергію неможливо.

Робота сили тяжіння не залежить від форми траєкторії руху тіла й визначається лише його початковим і кінцевим положенням над поверхнею Землі.

Ø  Сили, робота яких не залежить від форми траєкторії, називаються консервативними.

 

Запитання до учнів під час викладу нового матеріалу

1. Коли тіло здатне виконувати роботу?

2. Чи змінюється механічний стан тіла внаслідок здійснення роботи?

3. Чи залежить значення кінетичної енергії від вибору системи відліку?

4. Чи змінюється кінетична енергія тіла під час зміни напряму вектора його швидкості?

5. Тіло падає з певної висоти. Як змінюється його потенціальна енергія?

6. Як змінюється потенціальна енергія пружини:

а) коли її розтягують?

б) коли її стискають?

в) коли вона повертається в недеформований стан?

 

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв'язувати задачі

1. Яка робота має бути виконана для зупинки потяга масою 1000 т, що рухається зі швидкістю 108 км/год.?

2. На яку висоту потрібно підняти вантаж масою 5 кг, щоб його потенціальна енергія збільшилася на 40 Дж? На скільки потрібно опустити вантаж, щоб його потенціальна 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 потенціальна енергія пружини?

2). Контрольні запитання

1. Як змінюється кінетична енергія тіла, якщо сила, прикладена до тіла, виконує позитивну роботу?

2. Тіло кинули вертикально вгору. Яку роботу — позитивну чи негативну — виконує сила тяжіння під час підйому тіла? під час спуску? Як змінюється кінетична енергія тіла під час підйому й 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, що відбуваються під час спортивної стрільби з лука.

 

Що ми дізналися на уроці:

  Здатність тіла виконувати роботу внаслідок зміни свого стану характеризують фізичною величиною, що називається енергією.

•  Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною енергією

•  Теорема про кінетичну енергію: робота сили дорівнює зміні кінетичної енергії тіла.

•  Фізичну величину, що характеризує здатність системи взаємодіючих тіл (частин тіла) виконувати роботу внаслідок зміни їхнього взаємного положення, називають потенціальною енергією.

  Потенціальна енергія піднятого вантажу:

  Потенціальну енергію можна визначити тільки для сил, робота яких піл час руху по замкнутій траєкторії дорівнює нулю.

 Потенціальна енергія деформованої пружини:

 

Домашнє завдання

1. П.: § 35, 36.

2. 36.:

р1) - 12.3; 12.15; 12.16; 12.17;

р2) - 12.31; 12.32; 12.33; 12.40;

р3) - 12.60; 12.61; 12.62; 12.71.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.