Урок 21. релятивистские эффекты — Физика — 11 класс

Физика, 11 класс

Урок №21. Релятивистские эффекты

На уроке рассматриваются понятия: энергия покоя, полная энергия частиц; связь массы и энергии в специальной теории относительности; релятивистский импульс частицы, релятивистская кинетическая энергия; принцип соответствия.

Глоссарий урока:

Релятивистская механика — раздел физики, где описывается движение частиц со скоростями близкими к скорости света.

Закон взаимосвязи энергии и массы — тело обладает энергией и при нулевой скорости, такую энергию называют энергией покоя.

Релятивистская энергия составляет сумму собственной энергии частицы и релятивистской кинетической энергии.

Безмассовыми называют частицы массы, которых в состоянии покоя равны нулю, они существуют только в движении, при этом во всех инерциальных системах отсчёта их импульс и энергия не равны нулю.

Массовыми называют частицы, для которых масса является важной характеристикой, мерой инертности тела.

Принцип соответствия – это подтверждение законов Ньютона и классических представлений о пространстве и времени, рассматриваются как частный случай релятивистских законов при скоростях намного меньших скорость света.

Согласно принципу соответствия любая теория, претендующая на более глубокое описание явлений и на более широкую сферу применимости, должна включать предыдущую теорию, как предельный случай.

Обязательная литература:

1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Сотский Н.Н. Физика.11 класс. Учебник для общеобразовательных организаций М.: Просвещение, 2017. – С. 239 – 241.
2. Рымкевич А.П. Физика. Задачник. 10-11 классы. – М.: Дрофа, 2013. — С. 147 – 149

Дополнительная литература:

1. Анциферов Л.И., Физика: электродинамика и квантовая физика. 11кл. Учебник для общеобразовательных учреждений – М.
   : Мнемозина, 2001. – С. 253-260.
2. Кирик Л.А., Генденштейн Л.Э., Гельфгат И.М.. Задачи по физике. 10-11 классы для профильной школы. – М.: Илекса, 2010. – С. 311-315.
3. Айзексон У., Эйнштейн. Жизнь гения; пер. с анг. А.Ю. Каннуниковой. – М: АСТ, 2016 – С.144-157

Основное содержание темы

«Основы физики претерпели неожиданные и радикальные изменения благодаря смелости молодого и революционно мыслящего гения.»

Вернер Гейзенберг

Эти слова и множество других восхищённых эпитетов будут высказаны в адрес гениального учёного Альберта Эйнштейна. Эйнштейн не боялся опровергать общепринятые утверждения. Он разрушил представление об абсолютном времени и незыблемости пространства. Его теория утверждала, что есть движущиеся системы координат со своим относительным временем. А пространство существует, пока в нём существует всё материальное. Время идёт тем медленнее, если быстрее движется тело. Такие удобные и понятные принципы классической физики: о постоянстве массы, длины, времени, скорости — опровергаются следствиями из постулатов специальной теории относительности Эйнштейна.

Альберт (Einstein) Эйнштейн

14 марта 1879 г. – 18 апреля 1955 г.

Физик-теоретик, один из основателей современной теоретической физики, лауреат Нобелевской премии по физике 1921 года, общественный деятель-гуманист.

По законам классической физики: масса – это мера инертности тела. Но Эйнштейн утверждает другое: масса – это мера энергии, содержащейся в теле.

Любое тело обладает энергией уже в силу своего существования. Альбертом Эйнштейном была установлена пропорциональность между энергией и массой:

На первый взгляд, простая формула, является фундаментальным законом природы,

законом взаимосвязи энергии и массы.

Согласно этой формуле тело обладает энергией даже при нулевой скорости, в таком случае энергию называют E энергией покоя. А массу, которая входит в формулу Эйнштейна назовём m₀ массой покоя.

Как же будет выглядеть закон взаимосвязи массы и энергии для движущегося тела? К нему добавляем радикал (релятивистский множитель) из преобразований Лоренца:

Такую формулу называют релятивистской энергией или полной энергией движущегося тела.

Релятивистская механика — раздел физики, где описываются движения тел и частиц со скоростями близкими к скорости света, где используются преобразования Лоренца, перехода из одной инерциальной системы в другую, когда одна система движется относительно другой со скоростью вдоль оси ОХ.

Любые изменения физических величин, связанные с сокращением размеров:

эффект замедления времени:

изменение массы тела при изменении энергии:

закон сложения скоростей:

в специальной теории относительности называют релятивистскими изменениями.

По законам классической физики полная энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела или частицы

Отсюда выразим кинетическую энергию тела

Релятивистская энергия составляет сумму собственной энергии частицы и релятивистской кинетической энергии

В классической физике кинетическая энергия вычисляется по формуле

Получим ещё одно выражение

Выразим кинетическую энергию из формулы релятивистской энергии:

Поставим релятивистский радикал, который можно преобразовать при малых скоростях и получим релятивистскую кинетическую энергию частицы:

Или другой способ выражения кинетической энергии, если использовать классическую кинетическую энергию, то получим

— выражение для определения релятивистской кинетической энергии.

Путём не сложных математических вычислений можно доказать, что формула определения кинетической энергии в классической физикеи формула кинетической энергии в релятивистской физике равны между собой.

Давайте проверим работают ли главные законы механики — законы Ньютона в релятивистской физике.

Первый закон Ньютона: существуют системы отсчёта, называемые инерциальными, относительно которых тело движется прямолинейно и равномерно, если на него не действуют другие тела.

Первый постулат СТО Эйнштейна: все физические явления протекают одинаково во всех инерциальных системах отсчёта, или никакими опытами, проводимыми в инерциальной системе отсчёта, невозможно установить её движение относительно других инерциальных систем.

Внимание! Они не противоречат друг другу!

Третий закон Ньютона: силы с которыми тела действуют друг на друга равны по модулю и направлены вдоль одной прямой в противоположные стороны. Этот закон тоже работает в релятивистской физике (смотрите первый постулат СТО).

А что же со вторым законом классической механики? Второй закон Ньютона: ускорение тела прямо пропорционально силе и обратно пропорционально его массе.

Рассмотрим предельный случай: если на тело долгое время t (время стремится к бесконечности) действовать с постоянной силой F = const, то ускорение будет постоянным a = const. Ускорение в свою очередь, зависит от скорости, с которой движется тело:

Отсюда скорость тоже будет стремиться к бесконечности, а это невозможно (смотрите второй постулат СТО), так как скорость тела или частицы не может быть больше предельного значения скорости света ()!

Но давайте рассмотрим другую формулировку второго закона Ньютона, когда сила прямо пропорциональна изменению импульсов тела ко времени этого изменения:

В классической механике импульс равен произведению массы тела или частицы на его скорость: , где m – постоянная величина, мера инертности тела.

В релятивистской механике выражение импульса можно записать, используя преобразования Лоренца:

При скоростях намного меньших, чем скорость света 𝟅с, формула принимает вид классической механики Ньютона

Эти проявления — подтверждение законов Ньютона и классических представлений о пространстве и времени, рассматривают как частный случай релятивистских законов при скоростях намного меньших скорости света и называют принципом соответствия. Согласно принципу соответствия любая теория, претендующая на более глубокое описание явлений и на более широкую сферу применимости, должна включать предыдущую теорию, как предельный случай. То есть законы классической механики подтверждаются релятивистской, но только для частиц или тел, движущихся с малыми скоростями.

В природе существуют такие частицы (фотоны, мюоны, нейтрино), скорость которых равна или близка к скорости света. Массы таких частиц в состоянии покоя равны нулю, эти частицы называют безмассовыми. Они существуют только в движении, но во всех инерциальных системах отсчёта их импульс и энергия не равны нулю. Тогда подтверждается утверждение Эйнштейна, что масса – это мера энергии тела. Частицы, для которых масса является важной характеристикой — мерой инертности, называют массовыми.

Найдём соотношение между энергией и импульсом:

Взаимно уничтожаются подкоренные выражения, сокращается произведение массы на скорость света, и мы получим простое соотношение энергии и импульса, где нет зависимости от массы.

Энергия и импульс связаны соотношением

Поэтому во всех инерциальных системах отсчёта импульс и энергия не равны нулю. При превращениях элементарных частиц, обладающих массой покоя , в частицы у которых , их энергия покоя целиком превращается в кинетическую энергию вновь образовавшихся частиц. Этот факт является наиболее очевидным экспериментальным доказательством существования энергии покоя.

Во всех инерциальных системах отсчёта импульс частицы и её энергия связаны соотношением:

или

— эта формула является фундаментальным соотношением энергии и импульса для массовых частиц релятивистской механики. Эти соотношения экспериментально подтверждены.

Следовательно, для безмассовых частиц, где или , выражение примет вид

Основное выражение энергии через её импульс записывают так:

Отсюда, масса, движущейся частицы, будет равна

Если частица покоится, то её значение можно определить из основной формулы Эйнштейна взаимосвязи массы и энергии:

В обычных условиях, при нагревании тела или его охлаждении, при химической реакции, эти приращения массы происходят, их можно вычислить, но изменения массы не так заметны. Энергию, полученную из расщепления ядер на атомных электростанциях, используют на благо человека, где незначительные массы радиоактивного топлива вырабатывают энергию, питающую электроэнергией огромные города. Но, к сожалению, такую энергию, высвобождающуюся при цепной реакции, люди использовали и военных целях, для уничтожения городов, людей. Поэтому, только в последствии, понимая ответственность за свои открытия, учёные искренне становятся общественными деятелями: правозащитниками и борцами за мир.

Рассмотрим задачи тренировочного блока урока:

1. Чтобы выработать количество энергии, которой обладает тело массой 1 кг, Красноярской ГЭС потребуется времени _________ суток (1,5·10⁷; 173,6; 182,3). Мощность Красноярской ГЭС 6000МВт.

Дано:

m = 1 кг

P = 6000 МВт = 6·10⁹ Вт

t — ? (сутки)

Воспользуемся выражением, описывающим зависимость энергии тела от массы:

И зависимостью мощности от работы и времени:

Выразим секунды в часах, а затем в сутках:

Ответ: 173,6 суток.

2. Чему равен импульс протона, летящего со скоростью 8,3·10⁷ м/с? На сколько будет допущена ошибка, если пользоваться формулами классической физики? Данные поученных вычислений занесите в таблицу:

Физические величины	Показатели
Масса покоя протона, m	1,67·10-27 кг
Скорость света, с	3·108 м/с
Скорость движения протона, 𝟅	8,3·107 м/с
Импульс протона по классическим законам, рк	?
Импульс протона по релятивистским законам, рр	?
Разница в вычислениях импульса протона,	?

Воспользуемся формулами для определения импульса релятивистским и классическим способами:

Вычислим разницу показаний:

Физические величины	Показатели
Масса покоя протона, m	1,67·10-27кг
Скорость света, с	3·108 м/с
Скорость движения протона, 𝟅	8,3·107 м/с
Импульс протона по классическим законам, рк	1,38·10-19кг·м/с
Импульс протона по релятивистским законам, рр	5,2·10-19 кг·м/с
Разница в вычислениях импульса протона,	в 3,8 раза

Энергия

Энергия.  Потенциальная и кинетическая энергия. Цели урока: Познакомить учащихся с понятием «Энергия», с видами механической энергии, с  формулами для расчета кинетической и потенциальной энергиями. Задачи  1.  Актуализации ранее полученных знаний.  2.  Формирование новых понятий.   3.  Применение новых знаний к решению практических задач.   Формируемые УУД  Личностные: принимать и сохранять учебную цель и задачу.  Регулятивные: способность ставить новые учебные цели и задачи  Познавательные: формирование представлений об энергии, кинетической и потенциальной  энергиях.  Коммуникативные: умение аргументировать свою точку зрения.  План урока 1.     Организационный момент (1­2 мин) 2.     Проверка домашнего задания (10 мин) 3.     Изучение нового материала (20 мин) 4.     Закрепление материала (10­20 мин) 5.     Домашнее задание (2 мин)  Здравствуйте ребята! Давайте отметим отсутствующих на уроке. На прошлом уроке вам была задана задача. Один ученик решает задачу у доски, все  остальные повторяют пройденную тему. Изучение нового материала. Рассмотрим несколько примеров. 1. 2. 3. Сжатая пружина, Шарик, который катится по поверхности стола, Мяч находится над Землей. При определенных условиях эти тела могут совершить механическую работу. Итак, сила  упругости совершает работу при распрямлении пружины, поднимая при этом груз. Шарик, скатываясь с наклонной плоскости и ударившись о брусок, передвинет его на  некоторое расстояние. Сила тяжести может совершить работу, если шарик опустить и дать ему упасть на Землю. Про тела, которые могут совершить работу, говорят, что они обладают энергией. Энергия – это физическая величина, характеризующая способность тела совершить  работу. Энергию выражают в СИ в тех же единицах, что и работа, то есть в Джоулях. Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. От чего же зависит энергия поднятого мяча? Как вы думаете ребята. Звучат ответы  учеников. Очевидно, что от высоты, на которой находится мяч, и от его массы. То есть  можно сказать, что энергия зависит от взаимного расположения тел – мяча и Земли. От чего же зависит энергия сжатой пружины? От деформации пружины, то есть от взаимного расположения ее витков, а витки пружины   ­ это часть одного тела. Энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или  частей одного и того же тела называется потенциальной. Энергия поднятого над Землей камня, деформированной пружины, сжатого газа, воды в  реках удерживаемой плотинами – все это примеры тел, обладающих потенциальной  энергией. Вычислим потенциальную энергию Еп тела массой m, поднятого над Землей на высоту h.  Будем считать потенциальную энергию тела, лежащего на поверхности Земли, равной  нулю. Тогда Еп тела, поднят поднятого на некоторую высоту, будет определяться работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю: Еп = А, А = Fh, сила F = mg,   тогда                     Еп =  mgh m – масса тела, g – ускорение свободного падения, h – высота, на которую поднято тело. Движущийся автомобиль может совершить работу, а это значит, что он обладает энергией  даже при выключенном моторе. Энергией обладают движущийся вагон, летящая пуля. Допусти шарик, скатившись с наклонной плоскости, движется по горизонтальной  поверхности стола. Столкнувшись с бруском он совершает работу против силы трения  между бруском и столом. Брусок  передвинется. Следовательно, шарик во время своего  движения обладает энергией. Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется  кинетической энергией. Движущаяся вода, приводя во вращение турбины гидроэлектростанций, расходует свою  кинетическую энергию и совершает работу. Кинетической энергией обладает и  движущийся воздух – ветер. Рассмотрим, от каких физических величин зависит кинетическая энергия тела. Проводим  еще раз опыт с шариком и наклонной плоскостью. Чем больше высота, с которой скатывается шарик, тем больше его скорость и тем дальше  он передвигает брусок, то есть совершает большую работу. Значит кинетическая энергия  тела зависит от его скорости. Если скатывать с одной и той же высоты тела разной массы, то можно увидеть, что,  чем  больше масса шарика, тем на большее расстояние при столкновении переместится брусок,  то есть совершается большая работа.  Следовательно, чем больше масса движущегося тела,  тем больше его кинетическая энергия. Таким образом, чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется тем больше его  кинетическая энергия. Для того чтобы определить кинетическую энергию тела, применяют формулу m – масса тела,   v – скорость его движения. Пусть машина массой m, движущаяся со скоростью  v, начинает тормозить, чтобы  остановиться. Пусть S, который пройдет машина с момента начала торможения до полной  остановки, называется тормозным путем. На этом пути сила трения совершает работу А=Fтр S. Кинетическая энергия машины изменяется от максимального значения  до 0. Это изменение кинетической энергии равно совершенной работе, то есть Если силу трения принять постоянной для всех транспортных средств, то чем больше  кинетическая энергия, тем длиннее их тормозной путь. Сумма кинетической и потенциальной энергией тела обычно называют полной  механической энергией тела Е = Еп + Ек. Закрепление материала. Птичка массой 120 гр.  при полете достигает скорости 72 км/ч. Определите энергию  движения этой птички. Дано:  m=120 гр, v= 72 км/ч. Найти: Ек ­? Решение: Переводим в СИ 120 гр=0,12кг, 72 км/ч = 20 м/с Ек = m v2 /2 Ответ: Ек =24 Дж Что мы узнали на уроке? Про какое тело говорят, что оно обладает энергией? Какую энергию называют потенциальной? Какую энергию называют кинетической? Спасибо всем за работу, сегодня активно работали…. Домашнее задание: §  Решите задачи: Белый медведь массой 750 кг перепрыгивает препятствие высотой 1,2 м. Какую   энергию он затрачивает при таком прыжке? (Еп =  9000 Дж) Акула массой 250 кг плывет со скоростью 18 км/ч. Определите ее кинетическую  энергию. (3125 дж) 1. 2. 3. 1. 2.

Энергия: потенциальная и кинетическая энергия

 

Слово «энергия» в переводе с греческого означает «действие». Энергичным мы называем человека, который активно двигается, производя при этом множество разнообразных действий.

Энергия в физике

И если в жизни энергию человека мы можем оценивать в основном по последствиям его деятельности, то в физике энергию можно измерять и изучать множеством различных способов. Ваш бодрый друг или сосед, скорее всего, откажется повторить тридцать-пятьдесят раз одно и то же действие, когда вдруг вам взбредет на ум исследовать феномен его энергичности.

А вот в физике вы можете повторять почти любые опыты сколь угодно много раз, производя необходимые вам исследования. Так и с изучением энергии. Ученые-исследователи изучили и обозначили множество видов энергии в физике. Это электрическая, магнитная, атомная энергия и так далее. Но сейчас мы поговорим о механической энергии. А конкретнее о кинетической и потенциальной энергии.

Кинетическая и потенциальная энергия

В механике изучают движение и взаимодействие тел друг с другом. Поэтому принято различать два вида механической энергии: энергию, обусловленную движением тел, или кинетическую энергию, и энергию, обусловленную взаимодействием тел, или потенциальную энергию.

В физике существует общее правило, связывающее энергию и работу. Чтобы найти энергию тела, надо найти работу, которая необходима для перевода тела в данное состояние из нулевого, то есть такого, при котором его энергия равна нулю.

Потенциальная энергия

В физике потенциальной энергией называют энергию, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. То есть, если тело поднято над землей, то оно обладает возможностью падая, произвести какую-либо работу.

И возможная величина этой работы будет равна потенциальной энергии тела на высоте h.  Для потенциальной энергии формула определяется по следующей схеме:

A=Fs=Fт*h=mgh,     или      Eп=mgh,

где Eп потенциальная энергия тела,
m масса тела,
h — высота тела над поверхностью земли,
g ускорение свободного падения.

Причем за нулевое положение тела может быть принято любое удобное нам положение в зависимости от условий проводимых опыта и измерений, не только поверхность Земли. Это может быть поверхность пола, стола и так далее.

Кинетическая энергия

В случае, когда тело движется под влиянием силы, оно уже не только может, но и совершает какую-то работу. 2) / 2 ,

где Eк кинетическая энергия тела,
m масса тела,
v скорость тела.

Из формулы видно, что чем больше масса и скорость тела, тем выше его кинетическая энергия. 

Каждое тело обладает либо кинетической, либо потенциальной энергией, либо и той, и другой сразу, как, например, летящий самолет.

Формула энергии в физике всегда показывает, какую работу совершает или может совершить тело. Соответственно, единицы измерения энергии такие же, как и работы джоуль (1 Дж).

Нужна помощь в учебе?

Предыдущая тема: Коэффициент полезного действия механизмов: расчет, формула + примеры
Следующая тема:&nbsp&nbsp&nbspПревращение энергии: закон сохранения энергии

Презентация «Кинетическая энергия движущегося тела», 7 класс

Кинетическая энергия

Вспомним!

• Что такое энергия?
• В каком случае можно сказать, что тело обладает энергией?
• Назовите единицы, в которых выражают работу и энергию?
• Какую энергию называют потенциальной?
• Приведите примеры тел, обладающих потенциальной энергией?

Кинетическая энергия

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической (от греч. кинема – движение) энергией.

Чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия.

где т — масса тела, v — скорость его движения

Путь S, который пройдет машина с момента начала торможения до полной остановки, называется тормозным путем.

Сумму кинетической и потенциальной энергий тела обычно называют полной механической энергией тела.

 

ТЕСТ

№ 1. Какие из обозначенных на рисунке тел обладают кинетической энергией?

А) только 1

Б) только 2

В) только 3

Г) 1, 2 и 3

№ 2. Кинетическая энергия тем больше, …

А) чем больше скорость тела

Б) чем выше расположение тела над землей

В) чем сильнее сжато или растянуто тело

Г) чем сильнее нагрето тело

№ 3. Мячик подняли над Землей. Для увеличения его кинетической энергии мячик нужно …

А) поднять выше

Б) не удерживать (опустить)

В) опустить ниже

Г) нагреть

№ 4. Скорость первого тела в два раза больше скорости второго тела. Могут ли эти тела обладать одинаковой кинетической энергией?

А) нет, ни при каких условиях

Б) да, если масса первого тела в два раза меньше массы второго тела

В) да, если масса первого тела в четыре раза меньше массы второго тела

Г) да, если масса первого тела в четыре раза больше массы второго тела

№ 5. В какой из ниже указанных ситуаций, водитель равномерно движущегося автомобиля обладает наименьшей кинетической энергией?

А) относительно трассы

Б) относительно пешехода, идущего навстречу машине

В) относительно машины, движущейся в ту же сторону с меньшей скоростью

Г) относительно автомобиля, движущегося в обратном направлении с той же скоростью

Самопроверка

№ 1. только 3 (В)

№ 2. чем больше скорость тела (А)

№ 3. не удерживать (отпустить) (Б)

№ 4. да, если масса первого тела в четыре раза меньше массы второго тела (В)

№ 5. относительно машины, движущейся в ту же сторону с меньшей скоростью (В)

Домашнее задание

Презентация — Кинетическая энергия

Текст этой презентации

Слайд 1

Кинетическая энергия

Слайд 2

Вспомним!
Что такое энергия? В каком случае можно сказать, что тело обладает энергией? Назовите единицы, в которых выражают работу и энергию? Какую энергию называют потенциальной? Приведите примеры тел, обладающих потенциальной энергией?

Слайд 3

Слайд 4

Кинетическая энергия
Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической (от греч. кинема – движение) энергией.

Слайд 5

Слайд 6

Чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия.
???? к = ???????? ???? ????
где т — масса тела, v — скорость его движения

Слайд 7

Путь S, который пройдет машина с момента начала торможения до полной остановки, называется тормозным путем.

Слайд 8

Сумму кинетической и потенциальной энергий тела обычно называют полной механической энергией тела.
????= ???? п + ???? к

Слайд 9

Слайд 10

ТЕСТ
№1. Какие из обозначенных на рисунке тел обладают кинетической энергией? А) только 1 Б) только 2 В) только 3 Г) 1, 2 и 3

Слайд 11

№2. Кинетическая энергия тем больше, … А) чем больше скорость тела Б) чем выше расположение тела над землей В) чем сильнее сжато или растянуто тело Г) чем сильнее нагрето тело

Слайд 12

№3. Мячик подняли над Землей. Для увеличения его кинетической энергии мячик нужно … А) поднять выше Б) не удерживать (опустить) В) опустить ниже Г) нагреть

Слайд 13

№4. Скорость первого тела в два раза больше скорости второго тела. Могут ли эти тела обладать одинаковой кинетической энергией? А) нет, ни при каких условиях Б) да, если масса первого тела в два раза меньше массы второго тела В) да, если масса первого тела в четыре раза меньше массы второго тела Г) да, если масса первого тела в четыре раза больше массы второго тела

Слайд 14

№5. В какой из ниже указанных ситуаций, водитель равномерно движущегося автомобиля обладает наименьшей кинетической энергией? А) относительно трассы Б) относительно пешехода, идущего навстречу машине В) относительно машины, движущейся в ту же сторону с меньшей скоростью Г) относительно автомобиля, движущегося в обратном направлении с той же скоростью

Слайд 15

Самопроверка
№1. только 3 (В) №2. чем больше скорость тела (А) №3. не удерживать (отпустить) (Б) №4. да, если масса первого тела в четыре раза меньше массы второго тела (В) №5. относительно машины, движущейся в ту же сторону с меньшей скоростью (В)

Слайд 16

Домашнее задание
§ 67 №820

Слайд 17

Задачи на кинетическую и потенциальную энергия с решением

А почему-бы и нет? У нас уже были задачи на свободное падение, законы Ньютона, силу трения и проч. и проч. Сегодня решаем задачи на кинетическую и потенциальную энергию.

А вообще, помните, что мы занимаемся далеко не только решением задач. Наш телеграм – это полезная информация для студентов всех специальностей, новости, лайфхаки, акции и скидки.

Задачи на кинетическую и потенциальную энергию

Приведем примеры задач на нахождение кинетической и потенциальной энергии с решением. Прежде чем приступать к практике, почитайте теорию по теме, повторите общую памятку по решению задач по физике и на всякий случай держите под рукой полезные формулы.

Задача №1 на кинетическую энергию

Условие

Максимальная высота, на которую поднимается тело массой 1 кг, подброшенное вертикально вверх, составляет 20 м. Найдите, чему была равна кинетическая энергия сразу же после броска.

Решение

Потенциальная энергия тела над поверхностью Земли составляет:

Здесь m – масса тела, g – ускорение свободного падения, h – высота. Согласно закону сохранения энергии, потенциальная энергия тела в наивысшей точке должна равняться кинетической энергии тела в начальный момент, то есть:

Принимая ускорение свободного падения равным 10 м/с2, находим кинетическую энергию тела сразу же после броска:

Ответ: 200 Дж.

Задача №2 на потенциальную энергию

Условие

Чему равна потенциальная энергия трех кубических дециметров воды на высоте 10 м?

Решение

По определению, потенциальная энергия равна в поле силы тяжести равна:

Масса трех кубических дециметров воды (трех литров) легко находится из формулы для плотности воды:

Осталось вычислить потенциальную энергию:

Ответ: 300 Дж.

При решении задач не забывайте переводить все размерности величин в систему СИ.

Задача №3 на полную механическую энергию

Условие

Какова полная механическая энергия дирижабля массой 5 тонн, если он летит на высоте 2 км со скоростью 60 км/ч?

Решение

Полная механическая энергия состоит из кинетической и потенциальной энергий:

Вычислим:

Ответ: 100,7 МДж.

Задача №4 на кинетическую и потенциальную энергию

Условие

Шарик массой 200 г падает с высоты 20 м с начальной скоростью, равной нулю. Какова его кинетическая энергия в момент перед ударом о землю, если потеря энергии за счет сопротивления воздуха составила 4 Дж? (Ответ дайте в джоулях.) Ускорение свободного падения принять равным 10 м/с2.

Решение

Перед началом падения потенциальная энергия шарика составляет:

По закону сохранения энергии, эта энергия должна перейти в кинетическую энергию Ек за вычетом потери за счет сопротивления воздуха дельта Е. Таким образом, можем найти кинетическую энергию:

Ответ: 36 Дж.

Задача №5 кинетическую и потенциальную энергию

Условие

Шарик висит на нити. В нем застревает пуля, летящая горизонтально, в результате чего нить отклоняется на некоторый угол. Как изменятся при увеличении массы шарика следующие величины: импульс, полученный шариком в результате попадания в него пули; скорость, которая будет у шарика тотчас после удара; угол отклонения нити?

Решение

Согласно закону сохранения импульса, скорость шарика с застрявшей в нем пулей равна

Здесь M и m – массы шарика и пули соответственно, v – скорость пули перед ударом. Таким образом, при увеличении массы шарика его скорость после удара уменьшится.

Найдем импульс, переданный шарику при попадании пули:

Следовательно, с увеличением массы шарика переданный ему импульс увеличивается.

Согласно закону сохранения энергии, кинетическая энергия пули перейдет в потенциальную энергию шарика с пулей:

Таким образом, при увеличении массы шарика угол отклонения нити уменьшится, поскольку уменьшится скорость u.

Ответ: см решение выше.

Вопросы на потенциальную и кинетическую энергию

Вопрос 1. Что такое энергия? Что такое механическая энергия?

Ответ. Для энергии существует множество определений. В наиболее общем смысле:

Энергия – мера способности тела совершать работу.

Механическая энергия – это энергия, связанная с движением тела или его положением в пространстве. Механическая энергия в механике описывается суммой кинетической и потенциальной энергии.

Вопрос 2. Сформулируйте закон сохранения энергии

Ответ. Закон сохранения энергии является фундаментальным физическим принципом. Для каждого вида энергии он имеет свою формулировку. Для механической энергии:

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, между которыми действуют только консервативные силы, остается неизменной.

Вопрос 3. Какие силы называются консервативными?

Ответ. Консервативные, или потенциальные силы – это силы, работа которых не зависит от формы траектории. В качестве примера такой силы можно привести силу тяжести.

Вопрос 4. Какую энергию называют кинетической?

Ответ. Кинетическая энергия является энергией движения. Ею обладают только движущиеся тела, она зависит от массы тела и его скорости.

Вопрос 5. Какую энергию называют потенциальной?

Ответ. Потенциальная энергия является энергией взаимодействия в поле консервативных сил. Она зависит от положения тела и выбора системы отсчета. Например, потенциальная энергия тела в поле силы тяжести зависит от массы тела, ускорения свободного падения и высоты над нулевым уровнем.

Не знаете, как решать задачи на кинетическую или потенциальную энергию? Проблемы с выполнением любых других студенческих работ? Обращайтесь в профессиональный сервис для учащихся за помощью и консультациями.

Какую энергию называют кинетической и потенциальной?

Во первых надо понимать, что вся современная физика и математика (как впрочем и всё остальное) это не истина в последней инстанции, а это просто наилучшее объяснение нашего мира, которое имеется у нас на сегодняшний день. Поэтому при изучении физики или математики надо допускать некоторую долю недопонимания рассматриваемого предмета. Т.е. мы можем понять и составить себе представление о каких-то гранях изучаемого предмета, но до конца осознать суть вещей сегодня не представляется возможным. -31 кг.

Гамма-кванты — это фотоны с очень большой энергией (больше, чем у рентгеновского излучения). Поскольку фотон не имеет заряда и обладает только массой движения, то массовое и зарядовое числа ядра не меняются. Обычно испускание гамма-кванта происходит при альфа- и бета-распаде, как дополнительный унос энергии распада. Правда есть процесс распада, когда гамма-квант излучается практически в чистом виде — это реакции изотопного перехода для ядерных изомеров — в этом случае гамма-кванты уносят всю энергию распада.

Вообще говоря — по произвольному. Любой ток, который не постоянный, то есть величина которого изменяется со временем, по фигу как, — переменный.

Другое дело, что есть несколько важных для практике случаев. Например, напряжение в сети изменяется по синусоидальному закону (в идеале): u(t) = Uo*sinωt, где ω=2π*50 — угловая частота сети (в Европе).

При соблюдении всех норм теплоизоляции и вентиляции дома исходят из цифры 0,1 кВт/м.кв установленной мощности отопительного оборудования. Конечно это усредненная, идеальная величина, которая фактически обязательно должна быть выше, например 0,2 кВт/м.кв вполне комфортно позволит прожить зиму в средней полосе, а вот в северных и восточных областях РФ возможно требуется запас тепловой мощности для прохождения пиковых холодов, которые случаются там регулярно. С другой стороны, в расчете на тепловую мощность оборудования необходимо вносить понижающую поправку на работающее водогрейное оборудование (горячее водоснабжение) и все электробытовые приборы и освещение, которые выделяют тепло при работе.

кинетической энергии | Определение и формула

Раскройте силы потенциальной энергии, кинетической энергии и трения за маятником напольных часов

Изменения потенциальной и кинетической энергии при качании маятника.

Encyclopædia Britannica, Inc. Посмотреть все видео по этой статье

Кинетическая энергия , форма энергии, которую объект или частица имеет в результате своего движения. Если работа, передающая энергию, выполняется с объектом путем приложения чистой силы, объект ускоряется и, таким образом, получает кинетическую энергию.Кинетическая энергия — это свойство движущегося объекта или частицы, которое зависит не только от его движения, но и от его массы. Вид движения может быть поступательным (или движением по пути из одного места в другое), вращением вокруг оси, вибрацией или любой комбинацией движений.

Популярные вопросы

Что такое кинетическая энергия?

Кинетическая энергия — это форма энергии, которую объект или частица имеет в результате своего движения. Если работа, передающая энергию, выполняется с объектом путем приложения чистой силы, объект ускоряется и, таким образом, получает кинетическую энергию.Кинетическая энергия — это свойство движущегося объекта или частицы, которое зависит не только от его движения, но и от его массы.

Какими способами определяется кинетическая энергия объекта?

Поступательная кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы, m , и квадрата его скорости, v , или 1/2 mv ² . Для вращающегося тела момент инерции I соответствует массе, а угловая скорость (омега) ω соответствует линейной или поступательной скорости.Соответственно, кинетическая энергия вращения равна половине произведения момента инерции и квадрата угловой скорости, или 1/2 Iω ² .

Какие единицы энергии обычно связаны с кинетической энергией?

Для повседневных предметов единицей энергии в системе метр-килограмм-секунда является джоуль. Масса 2 кг (4,4 фунта на Земле), движущаяся со скоростью один метр в секунду (чуть больше двух миль в час), имеет кинетическую энергию в один джоуль.Единицей измерения в системе сантиметр-грамм-секунда является эрг, 10 ⁻⁷ джоулей, что эквивалентно кинетической энергии летящего комара. Электрон-вольт используется в атомном и субатомном масштабах.

Поступательная кинетическая энергия тела равна половине произведения его массы, m , и квадрата его скорости, v , или ¹ / ₂ mv ² .

Эта формула действительна только для низких и относительно высоких скоростей; для чрезвычайно высокоскоростных частиц он дает слишком маленькие значения.Когда скорость объекта приближается к скорости света (3 × 10 ⁸ метров в секунду, или 186 000 миль в секунду), его масса увеличивается, и необходимо использовать законы относительности. Релятивистская кинетическая энергия равна увеличению массы частицы по сравнению с массой в состоянии покоя, умноженной на квадрат скорости света.

Единицей энергии в системе метр-килограмм-секунда является джоуль. Двухкилограммовая масса (что-то весит 4,4 фунта на Земле), движущаяся со скоростью один метр в секунду (чуть более двух миль в час), имеет кинетическую энергию в один джоуль. В системе сантиметр-грамм-секунда единицей энергии является эрг, 10 ⁻⁷ джоулей, что эквивалентно кинетической энергии летящего комара. В определенных контекстах используются и другие единицы энергии, такие как еще меньшая единица, электрон-вольт, в атомном и субатомном масштабе.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Для вращающегося тела момент инерции I соответствует массе, а угловая скорость (омега) ω соответствует линейной или поступательной скорости.Соответственно, кинетическая энергия вращения равна половине произведения момента инерции и квадрата угловой скорости, или ¹ / ₂ Iω ² .

Полная кинетическая энергия тела или системы равна сумме кинетических энергий, возникающих в результате каждого типа движения. См. Механику : Вращение вокруг движущейся оси.

приливная сила | Типы и факты

Приливная энергия , также называемая приливная энергия , любая форма возобновляемой энергии, в которой приливные воздействия в океанах преобразуются в электроэнергию.

Британника исследует

Список дел Земли

Действия человека вызвали обширный каскад экологических проблем, которые теперь угрожают продолжающейся способности как естественных, так и человеческих систем процветать.Решение критических экологических проблем глобального потепления, нехватки воды, загрязнения и утраты биоразнообразия, возможно, является величайшей задачей 21 века. Мы встанем им навстречу?

Типы

Есть несколько способов использования приливной энергии. Энергетические системы приливных заграждений используют разницу между приливом и отливом за счет использования «плотины» или типа плотины, чтобы блокировать отступающую воду во время отливов. Во время отлива вода за плотиной сбрасывается, и вода проходит через турбину, вырабатывающую электричество.

Энергетические системы с приливными потоками используют преимущества океанских течений для привода турбин, особенно в районах вокруг островов или побережий, где эти течения являются быстрыми. Они могут быть установлены в качестве приливных ограждений — там, где турбины протянуты поперек канала — или как приливные турбины, которые напоминают подводные ветряные турбины ( см. ветряная энергия). ( См. Также мощность волны .)

Потенциал выработки электроэнергии

Многие технологии приливной энергии недоступны в промышленных масштабах, и поэтому сегодня приливная энергия составляет ничтожно малую долю мировой энергии. Однако есть большой потенциал для его использования, потому что много полезной энергии содержится в водных потоках. Общая энергия, содержащаяся в приливах по всему миру, составляет 3000 гигаватт (ГВт; миллиард ватт), хотя по оценкам, сколько из этой энергии доступно для выработки энергии с помощью приливных заграждений, составляет от 120 до 400 ГВт, в зависимости от местоположения и потенциала преобразования. Для сравнения: типичная новая угольная электростанция вырабатывает около 550 мегаватт (МВт; миллионов ватт). Хотя общее глобальное потребление электроэнергии приблизилось к 21 000 тераватт-часов в 2016 году (один тераватт [ТВ] = один триллион ватт), эксперты в области энергетики предполагают, что полностью построенные системы приливной энергетики могут удовлетворить большую часть этого спроса в будущем. По оценкам, мощность приливных потоков — которые используют океанские течения для приведения в движение подводных лопастей аналогично ветровой энергии — на мелководье способна генерировать около 3800 тераватт-часов в год.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

К началу 21 века некоторые из этих технологий стали коммерчески доступными. Самая большая приливная электростанция в мире — это приливная электростанция на озере Сихва в Южной Корее, которая вырабатывает 254 МВт электроэнергии. Электростанция с приливной плотиной в Ла-Рансе во Франции работает с 1960-х годов, ее мощность составляет 240 МВт; его типичная мощность составляет 0,5 тераватт-часа в год. На горизонте не за горами рост производства электроэнергии; Например, в августе 2017 года на первом этапе проекта MeyGen во Внутреннем проливе Шотландии было произведено 700 мегаватт-часов электроэнергии.

Экологические проблемы, поднятые в связи с приливными электростанциями, в основном связаны с системами приливных плотин, которые могут нарушить экосистемы эстуариев во время их строительства и эксплуатации. Ожидается, что приливные ограждения и турбины окажут минимальное воздействие на экосистемы океана. Однако приливные заграждения могут повредить или убить мигрирующую рыбу, но эти конструкции могут быть спроектированы так, чтобы минимизировать такие эффекты.

Ноэль Экли Селин

Узнайте больше в этих связанных статьях Britannica:

• Атлантический океан: Прочие виды использования

  … полностью действующие установки для преобразования энергии приливов и волн в электричество были установлены в таких точках, как пролив Квал в северной Норвегии, остров Айлей в западной части Шотландии, устье реки Северн в Великобритании, залив Фанди в Канаде, и побережье Бретани в…

• турбина: Приливные установки

  … на водохранилище рек приливная энергия все еще может играть роль, хотя и незначительную, в производстве электроэнергии в ближайшие годы. В районах, где обычно наблюдается высокий прилив, например, в заливе Фанди между Соединенными Штатами и Канадой или вдоль Ла-Манша, может быть вода…

• преобразование энергии: Waterwheels

  Приливной воде было позволено течь в большие пруды, которые контролировались сначала через затворные ворота, а затем через откидные клапаны.Как только прилив утих, вода спускалась через шлюзовые ворота и направлялась на колесо. Иногда приливному течению способствовало строительство плотины…

Виды энергии | Введение в химию

Цель обучения

• Различия между видами энергии

---

Ключевые моменты

• Все организмы используют разные формы энергии для обеспечения своих биологических процессов, необходимых для их роста и выживания.
• Кинетическая энергия — это энергия, связанная с движущимися объектами.
• Потенциальная энергия — это тип энергии, связанный со способностью объекта выполнять работу.
• Химическая энергия — это тип энергии, высвобождающейся при разрыве химических связей, который может использоваться для метаболических процессов.

---

Условия

• химическая энергия Чистая потенциальная энергия, выделяемая или поглощаемая в ходе химической реакции.
• потенциальная энергия: Энергия, которой обладает объект из-за его положения (в гравитационном или электрическом поле) или его состояния (в виде растянутой или сжатой пружины, в качестве химического реагента или благодаря наличию массы покоя).
• кинетическая энергия: энергия, которой обладает объект из-за его движения, равная половине массы тела, умноженной на квадрат его скорости.

---

Энергия — это свойство объектов, которое может быть передано другим объектам или преобразовано в другие формы, но не может быть создано или уничтожено. Организмы используют энергию, чтобы выжить, расти, реагировать на раздражители, воспроизводиться и для всех типов биологических процессов. Потенциальная энергия, хранящаяся в молекулах, может быть преобразована в химическую энергию, которая в конечном итоге может быть преобразована в кинетическую энергию, позволяющую организму двигаться.В конце концов, большая часть энергии, используемой организмами, преобразуется в тепло и рассеивается.

Кинетическая энергия

Энергия, связанная с движущимися объектами, называется кинетической энергией. Например, когда самолет находится в полете, он очень быстро движется по воздуху, выполняя работу по изменению своего окружения. Реактивные двигатели преобразуют потенциальную энергию топлива в кинетическую энергию движения. Крушащий шар может нанести большой урон даже при медленном движении.Однако все еще разрушающийся шар не может выполнять никакой работы и, следовательно, не имеет кинетической энергии. Ускоряющаяся пуля, идущий человек, быстрое движение молекул в воздухе, выделяющих тепло, и электромагнитное излучение, такое как солнечный свет, — все они обладают кинетической энергией.

Потенциальная энергия

Что, если тот же самый неподвижный шар для разрушения поднять на два этажа над автомобилем с краном? Если подвешенный шар для разрушения не движется, связана ли с ним энергия? Да, разрушающий шар обладает энергией, потому что разрушающий шар может выполнять свою работу.Эта форма энергии называется потенциальной энергией, потому что объект может выполнять работу в данном состоянии.

Объекты переносят свою энергию между потенциальным и кинетическим состояниями. Поскольку разрушающий шар неподвижно висит, он имеет кинетическую энергию [latex] \ text {0%} [/ latex] и [latex] \ text {100%} [/ latex]. Как только мяч выпущен, его кинетическая энергия увеличивается по мере того, как мяч набирает скорость. В то же время мяч теряет потенциальную энергию, когда приближается к земле. Другие примеры потенциальной энергии включают энергию воды, удерживаемой за плотиной, или человека, который собирается прыгнуть с парашютом из самолета.

Зависимость потенциальной энергии от кинетической Вода за плотиной имеет потенциальную энергию. Движущаяся вода, например, в водопаде или быстро текущей реке, обладает кинетической энергией.

Химическая энергия

Потенциальная энергия связана не только с расположением материи, но и со структурой материи. Пружина на земле обладает потенциальной энергией, если она сжата, как и натянутая резинка. Тот же принцип применим к молекулам. На химическом уровне связи, которые удерживают атомы молекул вместе, обладают потенциальной энергией.Этот тип потенциальной энергии называется химической энергией, и, как и вся потенциальная энергия, ее можно использовать для выполнения работы.

Например, химическая энергия содержится в молекулах бензина, которые используются в автомобилях. Когда газ воспламеняется в двигателе, связи в его молекулах разрываются, и выделяемая энергия используется для приведения в движение поршней. Потенциальная энергия, хранящаяся в химических связях, может использоваться для выполнения работы для биологических процессов. Различные метаболические процессы разрушают органические молекулы, чтобы высвободить энергию для роста и выживания организма.

Химическая энергия Молекулы бензина (октановое число, указанная химическая формула) содержат химическую энергию. Эта энергия преобразуется в кинетическую энергию, которая позволяет автомобилю мчаться по гоночной трассе.

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Что такое кинетическая энергия? | Живая наука

Кинетическая энергия — это энергия движущейся массы.Кинетическая энергия объекта — это энергия, которую он имеет из-за своего движения.

В ньютоновской (классической) механике, которая описывает макроскопические объекты, движущиеся с небольшой долей скорости света, кинетическая энергия ( E ) движущегося массивного тела может быть рассчитана как половина его массы ( м ) умноженное на квадрат его скорости ( v ): E = ½ мв 2 . Обратите внимание, что энергия — это скаляр , величина , т. е. она не зависит от направления и всегда положительна.Когда мы удваиваем массу, мы удваиваем энергию; однако, когда мы удваиваем скорость, энергия увеличивается в четыре раза.

Приступайте к работе

Возможно, наиболее важным свойством кинетической энергии является ее способность выполнять работу . Работа определяется как сила, действующая на объект в направлении движения. Работа и энергия настолько тесно связаны, что могут быть взаимозаменяемыми. В то время как энергия движения обычно выражается как E = ½ mv ² , работа ( W ) чаще рассматривается как сила ( F ), умноженная на расстояние ( d ): W = Fd .Если мы хотим изменить кинетическую энергию массивного объекта, мы должны поработать с ним.

Например, чтобы поднять тяжелый объект, мы должны выполнить работу, чтобы преодолеть силу тяжести и переместить объект вверх. Если объект вдвое тяжелее, требуется в два раза больше работы, чтобы поднять его на такое же расстояние. Также требуется вдвое больше работы, чтобы поднять один и тот же объект вдвое дальше. Точно так же, чтобы скользить по полу тяжелым предметом, мы должны преодолеть силу трения между предметом и полом.Требуемая работа пропорциональна весу объекта и расстоянию, на которое он перемещается. (Обратите внимание, что если вы несете пианино на спине по коридору, вы на самом деле не делаете никакой реальной работы.)

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия может быть сохранена. Например, нужно потрудиться, чтобы поднять груз и поставить его на полку или сжать пружину. Что тогда происходит с энергией? Мы знаем, что энергия сохраняется, т.е. ее нельзя создать или уничтожить; его можно только преобразовать из одной формы в другую.В этих двух случаях кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию , потому что, хотя он на самом деле не выполняет работу, он имеет потенциал для выполнения работы. Если мы уроним объект с полки или отпустим пружину, эта потенциальная энергия снова преобразуется в кинетическую энергию.

Кинетическая энергия также может передаваться от одного тела к другому при столкновении, которое может быть упругим или неупругим . Одним из примеров упругого столкновения может быть удар одного бильярдного шара о другой.Игнорируя трение между шарами и столом или любое вращение, придаваемое битку, в идеале общая кинетическая энергия двух шаров после столкновения равна кинетической энергии битка до столкновения.

Примером неупругого столкновения может быть движущийся вагон поезда, который врезается в такой же неподвижный вагон и сцепляется с ним. Полная энергия останется прежней, но масса новой системы увеличится вдвое. В результате две машины продолжат движение в одном направлении с меньшей скоростью, так что mv ₂ ² = ½ mv ₁ ² , где m — масса одной машины, v ₁ — скорость первого вагона, а v ₂ — скорость сцепленных вагонов после столкновения.Разделив на м и извлекая квадратный корень из обеих частей, получим v ₂ = √2 / 2 ∙ v ₁ . (Обратите внимание, что v ₂ ≠ ½ v ₁ .)

Кроме того, кинетическая энергия может быть преобразована в другие формы энергии и наоборот. Например, кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую энергию генератором или в тепловую энергию тормозами автомобиля. И наоборот, электрическая энергия может быть преобразована обратно в кинетическую энергию с помощью электродвигателя, тепловая энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с помощью паровой турбины, а химическая энергия может быть преобразована в кинетическую энергию с помощью двигателя внутреннего сгорания.

Джим Лукас — внештатный писатель и редактор, специализирующийся в области физики, астрономии и инженерии. Он является генеральным менеджером Lucas Technologies .

Кинетическая энергия — Energy Education

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

Есть симуляция, с которой можно поиграть с потенциальной энергией, которая показывает взаимодействие гравитационной потенциальной энергии, кинетической энергии и энергии пружины. Симуляция ниже показывает, как энергия течет вперед и назад между кинетической энергией и гравитационной потенциальной энергией и другое моделирование, представленное ниже, показывает, как трение превращает макроскопическую кинетическую энергию в микроскопическую кинетическую энергию.

Кинетическая энергия вращения — это также форма кинетической энергии, которая исходит от вращающегося объекта.

Макроскопическая кинетическая энергия

Это наиболее очевидная форма энергии, поскольку ее легче всего наблюдать. 2 [/ math]

1. Чем больше масса движущегося объекта, тем большей кинетической энергией он будет обладать при той же скорости.Автомобиль массой 2000 кг, движущийся со скоростью 14 м / с, имеет в два раза больше кинетической энергии, чем автомобиль массой 1000 кг, движущийся со скоростью 14 м / с.
2. Поскольку член скорости в этой формуле возведен в квадрат, скорость оказывает гораздо большее влияние, чем масса, на кинетическую энергию. Автомобиль, движущийся со скоростью, вдвое превышающей скорость другого автомобиля такой же массы, будет иметь 2 ² или в четыре раза больше кинетической энергии. Автомобиль, движущийся с трехкратной базовой скоростью, будет иметь 3 ² или ДЕВЯТЬ раз больше первоначальной кинетической энергии!

Некоторые способы использования макроскопической кинетической энергии включают:

Энергия ветра использует кинетическую энергию движущихся тел воздуха (ветра), преобразуя ее в электричество.Сам ветер изначально создается за счет сложных моделей изменения тепловой энергии, когда атмосфера и океаны нагреваются и охлаждаются солнцем. (Солнце на самом деле не охлаждает объекты, но солнце никогда не освещает объекты на Земле все время!)

Hydropower использует кинетическую энергию движущейся воды при ее падении (в водопад или плотину гидроэлектростанции)

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

PhET: Энергетический скейт-парк

Университет Колорадо любезно разрешил нам использовать следующее моделирование PhET.Изучите эту симуляцию, чтобы увидеть, как гравитационная потенциальная энергия и кинетическая энергия перемещаются вперед и назад, но при этом механическая энергия остается неизменной. Обратите внимание, как механическая энергия может быть потеряна и превращена в тепловую, но общее количество энергии остается прежним:

Микроскопическая кинетическая энергия

Тепловая энергия (температура) — это особый вид кинетической энергии. Это не энергия движения самого объекта — это полная энергия движения, вращения и вибрации атомов и молекул внутри объекта.В газе или газовой смеси, например в воздухе, движение (и вращение) отдельных частиц газа составляет эту энергию. В твердом теле, таком как стол, тепловая энергия существует в виде колебаний атомов или молекул. Полная тепловая энергия также включает в себя некоторые атомные формы потенциальной энергии, но кинетическая энергия частиц легче всего сосредоточить на ней. Температура объекта определяется его полной микроскопической кинетической энергией.

Хотя не всю микроскопическую кинетическую энергию можно превратить в полезную работу, тепловой двигатель может получить часть тепловой энергии и превратить ее в полезную работу (хотя это ограничено вторым законом термодинамики).

Моделирование PhET

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

Чтобы узнать больше о кинетической энергии, см. Гиперфизику.

Список литературы

1. ↑ Wolfson, Energy, Environment and Climate, Second ed. Нью-Йорк, США: W.W. Нортон, 2010 г.

видов энергии — СШАУправление энергетической информации (EIA)

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это запасенная энергия и энергия положения.

---

Химическая энергия — это энергия, хранящаяся в связях атомов и молекул. Батареи, биомасса, нефть, природный газ и уголь являются примерами химической энергии. Химическая энергия преобразуется в тепловую, когда люди сжигают дрова в камине или сжигают бензин в двигателе автомобиля.

Механическая энергия — это энергия, запасенная в объектах за счет напряжения.Сжатые пружины и растянутые резиновые ленты являются примерами сохраненной механической энергии.

Ядерная энергия — это энергия, запасенная в ядре атома, то есть энергия, которая удерживает ядро ​​вместе. Когда ядра объединяются или расщепляются, может выделяться большое количество энергии.

Гравитационная энергия — это энергия, запасенная в высоте объекта. Чем выше и тяжелее объект, тем больше гравитационной энергии сохраняется. Когда человек едет на велосипеде с крутого холма и набирает скорость, гравитационная энергия превращается в энергию движения.Гидроэнергетика — еще один пример гравитационной энергии, когда гравитация заставляет воду спускаться через гидроэлектрическую турбину для производства электроэнергии.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия — это движение волн, электронов, атомов, молекул, веществ и объектов.

---

Энергия излучения — это электромагнитная энергия, которая распространяется поперечными волнами. Лучистая энергия включает видимый свет, рентгеновские лучи, гамма-лучи и радиоволны.Свет — это один из видов лучистой энергии. Солнечный свет — это лучистая энергия, которая обеспечивает топливо и тепло, которые делают возможной жизнь на Земле.

Тепловая энергия , или тепло, — это энергия, возникающая при движении атомов и молекул в веществе. Тепло увеличивается, когда эти частицы движутся быстрее. Геотермальная энергия — это тепловая энергия земли.

Энергия движения — это энергия, запасенная при движении объектов. Чем быстрее они движутся, тем больше энергии сохраняется.Чтобы заставить объект двигаться, требуется энергия, и энергия высвобождается, когда объект замедляется. Ветер — это пример энергии движения. Ярким примером энергии движения является автокатастрофа — автомобиль полностью останавливается и высвобождает всю свою энергию движения сразу в неконтролируемый момент.

Звук — это движение энергии через вещества в продольных (сжатие / разрежение) волнах. Звук возникает, когда сила заставляет объект или вещество вибрировать. Энергия передается через вещество волной.Обычно энергия звука меньше, чем в других формах энергии.

Электрическая энергия доставляется крошечными заряженными частицами, называемыми электронами, обычно движущимися по проводу. Молния — это пример электрической энергии в природе.

Объяснение потенциальной и кинетической энергии

Энергия присутствует повсюду и бывает во многих формах, с двумя наиболее распространенными формами, известными как потенциальная энергия и кинетическая энергия. Хотя они очень разные с точки зрения того, как они взаимодействуют с физическим миром, у них есть определенные аспекты, которые делают их дополняющими друг друга.Но чтобы понять, как они работают, вам сначала нужно понять, что они собой представляют — и определение самой энергии.

Что такое потенциальная и кинетическая энергия?

Прежде чем понять какую-либо форму энергии, важно понять, что такое энергия на самом деле. Проще говоря, энергия — это способность совершать работу, когда к объекту прикладывается сила, и он перемещается на ^[1] .

Потенциальная энергия — один из двух основных типов энергии во Вселенной .Это довольно просто, хотя интуитивно немного сложно понять: это форма энергии, которая может выполнять работу, но не выполняет ее активно и не применяет силу к другим объектам. Потенциальная энергия объекта находится в его положении, а не в его движении. Это энергия позиции.

Когда объекты смещаются из положения равновесия, они получают энергию, которая была сохранена в объектах до того, как они были выбиты из равновесия из-за упругого отскока, силы тяжести или химических реакций.Лучше всего это демонстрируется на таком предмете, как лук лучника, в котором накапливается энергия, возникающая при натяжении тетивы. Потенциальная энергия, запасенная при откате, отвечает за энергию, возникающую при высвобождении, которая известна как кинетическая энергия.

Понять кинетическую энергию интуитивно проще, потому что более очевидно, что движущиеся объекты обладают энергией.

Кинетическая энергия создается при высвобождении потенциальной энергии , вызванной действием силы тяжести или упругих сил, среди других катализаторов.

Кинетическая энергия — это энергия движения н. Когда работа выполняется с объектом и он ускоряется, это увеличивает кинетическую энергию объекта. Наиболее важными факторами, определяющими кинетическую энергию, являются движение (измеряемое как скорость) и масса рассматриваемого объекта.

Хотя масса является универсальным измерением, движение объекта может происходить множеством различных способов, включая вращение вокруг оси, вибрацию, поступательное движение или любую комбинацию этих и других движений _[2] .

Есть три подкатегории кинетической энергии: колебательная, вращательная и поступательная.

Неудивительно, что кинетическая энергия колебаний вызывается вибрацией объектов. Вращательная кинетическая энергия создается движущимися объектами, в то время как поступательная кинетическая энергия вызывается объектами, сталкивающимися друг с другом.

Эти три подкатегории кинетической энергии включают почти всю энергию движения во всей известной Вселенной.

В чем разница между потенциальной и кинетической энергией?

Основное различие между потенциальной и кинетической энергией состоит в том, что одна энергия , что может быть , а другая — энергия , что равно .Другими словами, потенциальная энергия стационарна, а запасенная энергия должна быть высвобождена; кинетическая энергия — это энергия движения, активно использующая энергию для движения.

Еще одно важное отличие — скорость. Это измерение является основой кинетической энергии, но не имеет ничего общего с потенциальной энергией. Фактически, скорость является наиболее важной частью уравнения при определении количества кинетической энергии для любого данного объекта, и ее нет в уравнении потенциальной энергии ^[3] .

Какова связь между потенциальной и кинетической энергией?

Хотя эти первичные формы энергии очень разные, они дополняют друг друга.

Потенциальная энергия всегда приводит к кинетической энергии, когда она высвобождается. ^[4] , и кинетическая энергия необходима, чтобы позволить объекту сохранять энергию как потенциальную, тем или иным способом. Например, камню на краю обрыва не нужна кинетическая энергия, чтобы накапливать потенциальную энергию, которая отправит его вниз по разрушающемуся склону утеса.Но акт эрозии, чтобы довести камень до края, требует кинетической энергии. Следовательно, он необходим горной породе для получения потенциальной энергии.

Учитывая, что это две основные формы энергии в мире, особенно в человеческом масштабе, в повседневной жизни существует постоянное столкновение между потенциальной и кинетической энергией.

Каковы примеры потенциальной и кинетической энергии?

источник

Хотя определение как потенциальной, так и кинетической энергии может показаться довольно простым и понятным, все же не всегда легко определить, какая форма энергии присутствует для определенных объектов или процессов.

1) Планеты

Движение планет вокруг Солнца и других звезд в галактике — это работа кинетической энергии. Поскольку они притягиваются к большим объектам в центре их соответствующих орбит, из-за сильного гравитационного притяжения они падают к центру масс. Это приводит к орбитальному движению, а любое движение является формой кинетической энергии. ^[5]

2) Резинки

Резиновые ленты можно классифицировать как по потенциальной, так и по кинетической энергии, в зависимости от состояния ремешка.Когда резинка растягивается, она заряжается потенциальной энергией; при высвобождении происходит переход к кинетической энергии. Это особенно верно, если резинка переносит другой объект, например, камень, брошенный из рогатки. ^[6]

3) Реки

В реках действует строго кинетическая энергия. Вода постоянно движется, и все это движение постоянно создает кинетическую энергию. Единственный раз, когда река может иметь потенциальную энергию, — это если она возведена плотиной, а искусственный резервуар хранит энергию, которая будет использоваться при необходимости вдоль плотины гидроэлектростанции. ^[7]

4) Конкретные вариации

Существуют определенные вариации энергии в пределах как кинетической, так и потенциальной классификации энергии. В то время как некоторые вариации, такие как потенциальная энергия, запасенная в батареях, очевидны, другие не так легко идентифицировать.

Что такое потенциальная энергия электрона?

Электроны находятся в движении, поэтому они содержат кинетическую энергию. Это один из лучших примеров нефизического объекта, несущего кинетическую энергию.

Тем не менее, по-прежнему можно различить потенциальную энергию, которую хранит электрон. Чтобы найти эту потенциальную энергию, требуется сложная формула ^[8] :

U (r) = -qeV (r) = -keqe2 / r

Полная энергия является суммой кинетической энергии электрона. энергии и ее потенциальной энергии, которая представлена ​​еще более сложной формулой [8]:

KE (r) + PE (r) = — ½keqe2 / r = (- ½) (9 * 109) (1.60 * 10-19) / (5,29 * 10-11) Дж = -2.18 * 10-18 Дж

Какая у батареи кинетическая или потенциальная энергия?

Батареи — это форма химической энергии, в которой энергия хранится в связях молекул, содержащихся в кислоте батареи в их ядре. Ключевым словом здесь является «хранимая», что означает, что батареи представляют собой форму потенциальной энергии, поэтому вся химическая энергия классифицируется как ^{[ 9 ]} . Биотопливо и ископаемое топливо — другие примеры накопленной химической энергии.

Электрическая энергия потенциальная или кинетическая?

Электрическая энергия классифицируется как потенциальная энергия до того, как она будет высвобождена и использована в форме энергии, которая чаще всего используется и используется в качестве электричества. ^[10] .Однако после преобразования из своего потенциального состояния электрическая энергия может стать одним из подтипов кинетической энергии, включая, среди прочего, движение или звук.

Является ли звуковая энергия потенциальной или кинетической?

Звук можно рассматривать одновременно как обе формы энергии, хотя в основном мы воспринимаем его в кинетической форме. Звуковая энергия в воздухе, которая создается продольными волнами, которые создают движение в молекулах газа, является кинетической. В твердых телах и жидкостях, которые переносят звук намного дальше, чем через воздух, действует как кинетическая, так и потенциальная энергия. ^{[11 ]}

Тепловая энергия потенциальная или кинетическая?

Технически тепловая энергия является одновременно двумя формами энергии. Фактически, тепловая энергия — это, по сути, звуковые волны, движущиеся беспорядочно и заставляющие молекулы врезаться друг в друга при нагревании ^{[12 ]} . Движение этих молекул является примером нефизических объектов, создающих кинетическую энергию.

Является ли энергия излучения потенциальной или кинетической?

Лучистая энергия — это подкатегория кинетической энергии.Он образуется из электромагнитной энергии, когда распространяется волнами по всему электромагнитному спектру. Подобно электрону, упомянутому выше, это еще одна форма кинетической энергии, переносимой нефизическим объектом. ^[13]

Варианты потенциальной энергии

источник

Потенциальная энергия может быть разбита на две подформы энергии. Каждая из этих подчиненных форм — это типы накопленной потенциальной энергии. Но методы их хранения и выпуска сильно различаются.

Что такое потенциальная химическая энергия?

Химическая потенциальная энергия хранится в молекулярных связях, которые также известны как химические связи. Когда эти связи разрываются, сохраненная потенциальная энергия высвобождается и выделяет кинетическую энергию разной степени, в зависимости от прочности связей. ^[14]

Что такое гравитационная потенциальная энергия?

Гравитационная потенциальная энергия сохраняется в объекте из-за способности силы тяжести перемещать его и притягивать к Земле.Количество накопленной потенциальной гравитационной энергии напрямую зависит от массы объекта и, что более важно, от его высоты над землей. ^[15]

Наука

Две описанные выше подформы потенциальной энергии действуют в основном через две основные области науки. Однако механизм, который управляет потенциальной энергией в сфере физики, сильно отличается от механизма, который управляет в сфере химии.

Что такое потенциальная энергия в физике?

В физике потенциальная энергия имеет форму гравитационной потенциальной энергии.Гравитация, пожалуй, самый важный элемент физики, поскольку это основа общей теории относительности, на которой основан весь современный мир. С точки зрения физики, именно эта сила создала потенциальную энергию. ^[16]

Что такое потенциальная энергия в химии?

В области химии потенциальная энергия находится в форме химической потенциальной энергии. Это энергия, хранящаяся в молекулярных связях, которая является основой химии и химических реакций. Сохраненная потенциальная энергия высвобождается посредством этих химических реакций. ^[15]

Каковы формулы для кинетической энергии и потенциальной энергии?

Формулы для потенциальной и кинетической энергии довольно просты, но отнюдь не просты.

Кинетическая энергия может быть найдена по формуле: KE = 12mv2

• m = масса (кг)
• v = скорость (м / с)

Гравитационный потенциал энергию можно найти по формуле: W = m × g × h = mgh

• m = масса (кг)
• g = ускорение, вызванное гравитационным полем (9.8 м / с2)

Упругая потенциальная энергия может быть найдена по формуле: U = 12kx2

• k = постоянная силы пружины
• x = длина растяжения (м)

Единицы, используемые для Измерение каждой из этих форм энергии такое же, как и для всех других форм энергии: Джоуль (Дж), который равен 1 кг.м2.с-2. ^[17]

Энергия повсюду

Вы узнали о нескольких формах энергии — вместе с некоторыми подходящими примерами — но есть гораздо больше, что необходимо охватить, чтобы полностью понять концепцию энергии.

Однако понимание двух основных форм энергии, которые пронизывают не только повседневную жизнь, но и суть физики во всей Вселенной, является хорошей отправной точкой и закладывает основу для любого более глубокого погружения в природу самой энергии.

Обязательно нужно помнить только о двух вещах: неподвижных объектов с накопленной энергией обладают потенциалом, а движущиеся объекты — кинетическими .

Привезено вам таранэнергия.com

Источники:

[1] Основные понятия в химии. Что такое энергия и почему она определяется как способность выполнять работу? https://masterconceptsinchemistry.com/index.php/2017/12/18/whats-energy-defined-ability-work/. По состоянию на 16 ноября 2020 г.

[2] Придди Б. Что означает кинетическая энергия? https://sciencing.com/meaning-kinetic-energy-6646801.html. Опубликовано 2 марта 2019 г. Проверено 9 ноября 2020 г.

[3] Work, Energy, and Power.Кабинет физики. https://www.physicsclassroom.com/Class/energy/u5l1c.cfm. По состоянию на 9 ноября 2020 г.

[4] Energy: Potential and Kinetic Energy. Infoplease. https://www.infoplease.com/encyclopedia/science/physics/concepts/energy/potential-and-kinetic-energy. По состоянию на 9 ноября 2020 г.

[5] Fenio, B. Rolling Race: A Spinning Science Activity. Опубликовано 23 марта 2017 г. https://www.scientificamerican.com/article/rolling-race/. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[6] Science World.Упругая энергия. https://www.scienceworld.ca/resource/elastic-energy/. По состоянию на 16 ноября 2020 г.

[7] University of Calgary Energy Education. Энергия из воды. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_from_water. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[8] Университет Теннесси, Ноксвилл. Электрический потенциал. http://labman.phys.utk.edu/phys222core/modules/m2/Electric%20potential.html#:~:text=The%20potential%20energy%20of%20the,2.18*10%2D18%20J. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[9] Dusto A.Потенциальная энергия: что это такое и почему (с формулами и примерами). Наука. https://sciencing.com/potential-energy-what-is-it-why-it-matters-w-formula-examples-13720804.html. Опубликовано 5 декабря 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.

[10] Агентство энергетической информации США. Формы энергии. https://www.eia.gov/energyexplained/what-is-energy/forms-of-energy.php. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[11] Звуковые волны и музыка — Урок 1 — Природа звуковой волны: звук как продольная волна https: // www.Physicsclassroom.com/class/sound/Lesson-1/Sound-as-a-Longitudinal-Wave, по состоянию на 15 ноября 2020 г.

[12 Физический факультет Иллинойского университета. Вопросы и ответы: кинетика и потенциал. https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=1768&t=kinetic-and-potential#:~:text=Sound%3A%20In%20a%20solid%2C%20this,microscopic%20scale % 20of% 20moving% 20molecules .. По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[13] Solar Schools. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant.По состоянию на 15 ноября 2020 г.

[14] CK-12. Химическая потенциальная энергия. https://www.ck12.org/chemistry/chemical-potential-energy/lesson/Chemical-Potential-Energy-CHEM/.