Кто открыл закон превращения и сохранения энергии: Открытие закона сохранения и превращения энергии.. Курс истории физики

Содержание

Открытие закона сохранения и превращения энергии.. Курс истории физики

Открытие закона сохранения и превращения энергии.

В.И.Ленин указывал, что развитие познания совершается по спирали. Наступает время, когда наука возвращается к идеям, однажды уже высказанным. Но это возвращение совершается на новом, более высоком уровне, которому предшествовал длительный исторический опыт познания. Ленин указывал, что попытки сохранить господствующие идеи, продолжить движение науки по прямой приводят к окостенению познания, к реакции, к идеализму. Мысли Ленина о развили познания блестяще подтверждаются историей открытия закона сохранения энергии.

Воззрения на теплоту как форму движения мельчайших «нечувствительных» частиц материи высказывались еще в XVII в. ф. Бэкон, Декарт, Ньютон, Гук и многие другие приходили к мысли, что теплота связана с движением частиц вещества. Но со всей полнотой и определенностью эту идею разрабатывал и отстаивал Ломоносов. Однако он был в одиночестве, его современники переходили на сторону концепции теплорода, и, как мы видели, эта концепция разделялась многими выдающимися учеными XIX столетия.

Успехи экспериментальной теплофизики, и прежде всего калориметрии, казалось, свидетельствовали в пользу теплорода. Но тот же XIX в. принес наглядные доказательства связи теплоты с механическим движением. Конечно, факт выделения тепла при трении был известен с незапамятных времен. Сторонники теплоты усматривали в этом явлении нечто аналогичное электризации тел трением —трение способствует выжиманию теплорода из тела. Однако в 1798 г.БенжаменТомпсон (1753-1814), ставший с 1790 г. графом Румфордом, сделал в мюнхенских военных мастерских важное наблюдение: при высверливании канала в пушечном стволе выделяется большое количество тепла. Чтобы точно исследовать это явление, Румфорд проделал опыт по сверлению канала в цилиндре, выточенном из пушечного металла. В высверленный канал помещали тупое сверло, плотно прижатое к стенкам канала и приводившееся во вращение. Термометр, вставленный в цилиндр, показал, что за 30 минут операции температура поднялась на 70 градусов Фаренгейта. Румфорд повторил опыт, погрузив цилиндр и сверло в сосуд с водой.

В процессе сверления вода нагревалась и спустя 2,5 часа закипала. Этот опыт Румфорд считал доказательством того, что теплота является формой движения.

Опыты по получению теплоты трением повторил Дэви. Он плавил лед трением двух кусков друг о друга. Дэви пришел к выводу, что следует оставить гипотезу о теплороде и рассматривать теплоту как колебательное движение частиц материи. Эта гипотеза была поддержана Юнгом. В 1837 г. немецкий аптекарь (с 1867 г. профессор фармакологии) Фридрих Мор (1806—1879) послал редактору журнала «Annalen der Physik» Поггендорфу статью «О природе теплоты». Тот ее не принял, сославшись на то, что статья не содержит новых экспериментальных исследований. В ней Мор со всей определенностью указывал, что теплота является формой движения.

Мы видели, как фарадей в споре со сторонниками контактной теории в 1839—1840 гг. утверждал идею превращения сил с сохранением их постоянной количественной величины, фарадей по характеру мышления резко отличался от профессиональных ученых. Поэтому можно с полным основанием утверждать, что идея закона сохранения и превращения энергии вызревала не у специалистов-физиков. И не специалисты сыграли решающую роль в утверждении великого закона. Врач Майер, пивовар Джоуль, врач Гельмгольц — вот те три человека, за которыми история науки навсегда закрепила славу открывателей закона сохранения и превращения энергии.

Майер. Юлиус Роберт Майер родился 25 ноября 1814 г. в Гейльбронне в семье аптекаря. Он получил медицинское образование и отправился в качестве корабельного врача на о. Ява (до этого он несколько месяцев работал в клиниках Парижа). В течение годичного плавания (1840—1841) врач Майер пришел к своему великому открытию. По его словам, на этот вывод его натолкнули наблюдения над изменением цвета крови у людей в тропиках. Производя многочисленные кровопускания на рейде в Батавии, Майер заметил, что «кровь, выпускаемая из ручной вены, отличалась такой необыкновенной краснотой, что, судя по цвету, я мог бы думать, что я попал на артерию».

Он сделал отсюда вывод, что «температурная разница между собственным теплом организма и теплом окружающей среды должна находиться в количественном соотношении с разницей в цвете обоих видов крови, т. е. артериальной и венозной… Эта разница в цвете является выражением размера потребления кислорода или силы процесса сгорания, происходящего в организме».

Во времена Майера было распространено учение о жизненной силе организма (витализм). Живой организм действует благодаря наличию в нем особой жизненной силы. Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и химических законов и обусловливались таинственной жизненной силой. Майер своим наблюдением показал, что организм управляется естественными физико-химическими законами, и прежде всего законом сохранения и превращения энергии. Вернувшись из путешествия, он тут же написал статью под заглавием «О количественном и качественном определении сил», которую направил 16 июня 1841 г. в журнал «Анналы…» Поггендорфу. Тот не напечатал статью и не вернул ее автору, она пролежала в его письменном столе 36 лет, где и была обнаружена после смерти Поггендорфа.

Поггендорф имел определенные основания отнестись сурово к работе Майера. Великая идея в ней выступает еще в неясной форме, статья содержит туманные и даже ошибочные утверждения. Вместе с тем в ней имеются гениальные высказывания, которые свидетельствуют о ясном понимании Майе-ром величия сделанного им открытия. Она начинается с общего утверждения, что «мы можем вывести все явления из некоторой первичной силы, действующей в направлении уничтожения существующих разностей и объединения всего сущего в однородную массу в одной математической точке». По Майеру, следовательно, все движения и изменения в мире порождаются «разностями», вызывающими силы, стремящиеся уничтожить эти разности. Но движение не прекращается, потому что силы неуничтожаемы и восстанавливают разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные силы количественно неизменны, подобно веществам, логически обеспечивает нам продолжение существования разностей, а значит, и материального мира».

Эта формулировка, предложенная Майером, легко уязвима для критики. Не определено точно понятие «разность», неясно, что понимается под термином «сила». Это предчувствие закона, а не самый еще закон. Но из дальнейшего изложения понятно, что под силой он понимает причину движения, которое измеряется произведением массы на скорость. Но причины измеряются произведенным действием, следовательно, «это произведение МС точно выражает также самую силу V; мы положим V = МС». Ошибка Майера, пе репутавшего количество движения с «силой», под которой он в дальнейшем понимает «энергию движения», очевидна. Но замечательно, что, рассматривая соударение двух тел равной массы, движущихся навстречу друг другу с равными скоростями, Майер описывает исчезновение механического движения оператором 0 («нуль») и считает, что движение 2АС (A — масса тел, С — скорость) при абсолютно неупругом ударе не исчезло, а превратилось в другую форму, которую он обозначает символом 02АС, а несколько позднее 02МС. Майер считает, что этой формой движения является теплота, и пишет. «Нейтрализованное движение 02МС, поскольку движение не происходит действительно в противоположных направлениях, служит выражением для теплоты.

Движение, теплота, и как мы намерены показать в дальнейшем, электричество представляют собою явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам».

Это вполне определенная и ясная формулировка закона сохранения и превращения силы, т. е. энергии. В первой половине цитаты Майер говорит о конкретном случае применения закона при неупругом ударе («поскольку движения не происходят действительно в противоположных направлениях»), исчезнувшее механическое движение переходит в тепло. То, о чем думали еще Декарт и особенно Ломоносов, высказано теперь Майером со всей категоричностью: «…Образовавшаяся теплота, — пишет он, — пропорциональна исчезнувшему движению». Однако в этой незаконченной работе Майер не дает количественной оценки механического эквивалента теплоты. Такая оценка появилась в следующей работе Майера—«Замечания о силах неживой природы», опубликованной в «Annalen der chemie und Pharmazie» за 1842 г.

Здесь Майер ставит своей задачей уточнить понятие «силы» и найти соотношение между ними. Поскольку, по мнению Майера, силы являются причинами, к ним применимо общефилософское положение: «…causa aequat effectum (причина равна действию)». Так как в цепи причин и действий ни один член не может стать нулем, то силы неразрушимы. Вместе с тем различные причины являются проявлением одной и той же сущности. «…Причины,—говорит Майер,—суть (количественно) неразрушимые и (качественно) способные к превращениям объекты». По Май-еру, в природе существуют два вида причин: материальные и силы. «Силы суть следовательно: неразрушимые, способные к превращениям, невесомые объекты».

К таким объектам относится «…пространственная разность весомых объектов», т. е. то, что теперь мы называем потенциальной энергией тяжелого тела в поле тяжести. Майер подчеркивает, что для этой силы, которую он называет силой падения, поднятие не менее необходимо, чем тяжесть тела, и падение тел нельзя приписывать только действию тяжести.

Исчезновение силы падения сопровождается появлением живой силы, которую Майер измеряет произведением массы на квадрат скорости. Закон сохранения живых сил в механике основан, по Майеру, «на общем законе неразрушимости причин».

Однако в «бесконечном числе случаев» сила падения не превращается в движение или поднятие груза, и Майер ставит вопрос: «Какую дальнейшую форму способна принять сила, которую мы познали как силу падения или движения?». Ответ на этот вопрос дает опыт, который показывает, что при трении получается теплота. «…Для исчезающего движения, —говорит Майер,— во многих случаях… не может быть найдено никакого другого действия, кроме тепла, а для возникшего тепла — никакой другой причины, кроме движения…» Майер иллюстрирует эту мысль весьма современным для его эпохи примером локомотива: «Локомотив с его поездом может быть сравнен с перегонным аппаратом: тепло, разведенное под котлом, превращается в движение, а таковое снова осаждается на осях колес в качестве тепла».

Народившая ся теплотехника, подсказавшая Карно тему его замечательного сочинения, подсказала и творцам закона сохранения и превращения энергии их великую идею. Образ локомотива, появившийся в первой печатной работе Майера, наглядно подтверждает это.

Далее, Майер ставит вопрос о том, «как велико соответствующее определенному количеству силы падения или движения количество тепла», т. е. ставит вопрос о термическом эквиваленте работы. И спользуя соотношение между теплоемкостями газов при постоянном давлении и постоянном объеме, он приходит к выводу, «что опусканию единицы веса с высоты около 365 м соответствует нагревание равного веса воды от 0 до 1°». Таким образом, Майер указал совершенно правильный метод определения механического эквивалента теплоты и правильно оценил его порядок (так же как и Карно). История науки отметила эту заслугу Майера, присвоив уравнению ср — сV = R название «уравнение Майера».

Особенно замечательно, что Майер из своего результата сделал совершенно правильный вывод о несовершенстве паровых машин. «Если с этим результатом, — пишет он, — сравнить полезное действие наших лучших паровых машин, то увидим, что лишь очень малая часть разводимого под котлом тепла действительно.превращается в движение или поднятие груза…» И здесь Майер высказывает замечательный прогноз о необходимости искать «более выгодный путь получения движения иным способом, чем посредством использования химической разности между С и 0, а именно — посредством превращения в движение электричества, полученного химическим путем».

Современные электровозы, сменившие локомотивы, подтвердили правоту Майера. Но задача замены двигателей внутреннего сгорания в автомобилях и тракторах электромоторами, питающимися удобными и экономичными химическими источниками, остается еще не решенной. Можно, подводя итоги, сказать, что, несмотря на двусмысленность термина «силы», неверную меру живой силы ( вместо ), эта работа Майера по праву считается основополагающей в истории закона сохранения и превращения энергии. Особенно важна идея Майера о качественном превращении сил (энергии) при их количественном сохранении. Майер подробно анализирует всевозможные формы превращения энергии в брошюре «Органическое движение в его связи с обменом вещества», вышедшей в Гейльбронне в 1845 г. Майер сначала думал опубликовать свою статью в тех же «Анналах химии и фармации», в которых была опубликована статья 1842 г., но редактор Либих, сославшись на перегрузку журнала химическими статьями, посоветовал переслать статью в «Анналы» Поггендорфа. Майер, понимая, что Поггендорф поступит с ней так же, как со статьей 1841 г., решил опубликовать статью брошюрой за свой счет.

Таким образом, первая статья Майера не была опубликована вообще, вторая увидела свет в не читаемом физиками химическом журнале, третья — в частной брошюре. Вполне понятно, что открытие Майера не дошло до физиков, и закон сохранения открывали независимо от него и другими путями другие авторы, прежде всего Джоуль и Гельмгольц. Закономерно также, что Майер оказался втянутым в тягостно отразившийся на нем спор о приоритете.

Вернемся к брошюре Майера. Она начинается с указания, что математика получила широкое применение в технике и естествознании, «являясь прочной осью естественнонаучного исследования». Однако в биологии ее влияние незначительно, «между математической физикой и физиологией живо чувствуется пропасть». Задача сочинения Майера—«установить метод, посредством которого оказалось бы возможным сблизить эти обе науки…»

Опять-таки можно поражаться прозорливости Майера и его смелости в выборе цели. Только в наши дни благодаря введению кибернетических методов началось сближение биологии, математики и техники, о котором думал Майер.

Задавшись целью применить идеи механики в физиологии, Майер начинает с выяснения понятия силы. И здесь он вновь повторяет мысль о невозможности возникновения движения из ничего «Ex nihilo nil fit» («из ничего ничего не бывает»), сила—причина движения, а причина движения является неразрушимым объектом. «Количественная неизменность данного есть верховный закон природы, распространяющийся равным образом как на силу, так и на материю», — провозглашает Майер. Эта формулировка поразительно напоминает формулировку «всеобщего закона» Ломоносова, распространяемого им «и на самые правила движения».

Заметим, что выдвижение Ломоносовым и Майером всеобщего закона сохранения в качестве «верховного закона природы» принято современной наукой, которая формулирует многочисленные конкретные законы сохранения в качестве основной опоры научного исследования.

Майер считает закон сохранения вещества прерогативой химии, закон сохранения силы — прерогативой физики. «То, что химия выполняет в отношении вещества, осуществляется физикой в отношении силы», —пишет Майер. Он говорит, что единственная задача физики — изучение силы в ее различных формах, исследование условий ее превращения. Таким образом, если химия, по Майеру, является наукой о превращении вещества, то физика является наукой о превращении силы, т. е. энергии.

В своей брошюре Майер перечисляет различные формы силы. Это, во-первых, «живая сила движения», т. е. кинетическая энергия движущихся масс. На второе место Майер ставит «силу падения», т. е. потенциальную энергию поднятого груза. «Величина силы падения измеряется произведением веса на данную высоту; величина движения — произведением движущейся массы на квадрат его скорости. Обе силы объединены также общим названием: «механический эффект».

Майер упорно опускает коэффициент 1/2 в выражении кинетической энергии, но он правильно объединяет потенциальную и кинетическую энергию как две формы механической энергии (механического эффекта).

Упомянув об исторической задаче человека: использовать для получения движения силы природы, — Майер характеризует современную ему техническую практику следующими словами: «Новому времени выпало на долю к силам старого мира — движущемуся воздуху и падающей воде — присоединить еще одну новую силу. Этой новой силой, на действия которой с удивлением смотрят люди нашего столетия, является тепло». И далее Майер утверждает: «Тепло есть сила: оно может быть превращено в механический эффект». На современном языке это утверждение Майера гласит: тепло есть энергия, оно может совершить механическую работу. Он подсчитывает работу локомотива, тянущего состав, и утверждает: «Действующая в локомотиве сила есть тепло».

Майер подробно подсчитывает механический эквивалент теплоты из разности теплоемкостей газа (этот подсчет нередко воспроизводится в школьных учебниках физики) и находит его, опираясь на измерения Делароша и Берара, а также Дюлонга, определивших отношение теплоемкостей для воздуха равным 367 кгс • м/ккал.( 1 кгс- м—употреблявшаяся ранее единица работы. Она равна 9,8 Дж.)

Майер приводит данные по теплотворной способности углерода и обращает внимание на низкий коэффициент полезного действия тепловых машин, максимальное значение которого в современных ему машинах составляло 5—6%, а в локомотивах не достигало и одного процента.

Затем Майер переходит к электричеству. Он рассматривает электризацию трением, действие электрофора и указывает, что здесь «механический эффект превращается в электричество». Бегло остановившись на магнетизме, он делает вывод: затрата механического эффекта вызывает как электрическое, так и магнетическое напряжение. Здесь в анализе Майера недостает той законченности и ясности, какая обнаруживается у него при анализе взаимоотношения теплоты и механического движения. Электричество и магнетизм еще не были изучены столь подробно, как теплота, электрические измерения носили качественный характер, основные понятия не были четко разработаны. Нужно удивляться гениальной интуиции Майера, понявшего, что эти процессы подчиняются закону сохранения энергии.

В заключение своего анализа Майер останавливается на «химической силе». Интересно, что вопрос о химической энергии у него сочетается с вопросом об энергетике солнечной системы. Он указывает, что поток солнечной энергии (силы), являющийся и на нашу Землю, «есть та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей». Майер набрасывает картину того механизма, который обеспечивает жизнь на Земле, круговорот воды и воздуха под действием солнечных лучей и аккумулирования солнечной энергии для жизненных процессов.

«Природа, — пишет Майер, — поставила перед собой задачу поймать на лету льющийся на Землю свет и накопить самую подвижную силу, приведя ее в неподвижное состояние. Для достижения этой цели она покрыла земную кору организмами, которые, живя, поглощают солнечный свет и при использовании этой силы порождают непрерывно возобновляющуюся сумму химических различий. Этими организмами являются растения».

Так Майер раскрыл космическую роль растений и выдвинул перед наукой проблему фотосинтеза. Недаром строки его книги, посвященные анализу превращений солнечной энергии в живых организмах, вдохновили великого русского ученого К.А.Тимирязева, и он предпослал своей книге «Солнце, жизнь и хлорофилл» эпиграф из этой статьи Майера. Тимирязев подчеркивал в этой книге, что «рассматриваемый с точки зрения Майера процесс усвоения углерода приобретает новый и еще более широкий интерес».

Майер закончил развитие своих идей к 1848 г., когда в брошюре «Динамика неба в популярном изложении» он поставил и сделал попытку решить важнейшую проблему об источнике солнечной энергии. Майер понял, что химическая энергия недостаточна для восполнения огромных расходов энергии Солнца. Но из других источников энергии в его время была известна только механическая энергия. И Майер сделал вывод, что теплота Солнца восполняется бомбардировкой его метеоритами, падающими на него со всех сторон непрерывно из окружающего пространства. В работе 1851 г. «Замечания о механическом эквиваленте теплоты» Майер излагает сжато и популярно свои идеи о сохранении и превращении силы. Здесь он впервые защищает свой приоритет. Он признает, что открытие сделано им случайно (наблюдение на Яве), но «оно все же моя собственность, и я не колеблюсь защищать свое право приоритета». Он ссылается на свою статью 1842 г., цитирует» ее, приводит значение механического эквивалента теплоты, разъясняет свои взгляды на силу, которую он рассматривает как то, что позднее назвали энергией. Майер указывает далее, что закон сохранения энергии, «а также численное выражение его, механический эквивалент теплоты, были почти одновременно опубликованы в Германии и Англии». Он указывает на исследования Джоуля и признает, что Джоуль «открыл безусловно самостоятельно» • закон сохранения и превращения энергии и что «ему принадлежат многочисленные важные заслуги в деле дальнейшего обоснования и развития этого закона». Но Май ер не склонен уступать свое право на приоритет и указывает, что из самих его работ видно, что он не гонится за эффектом. Это, однако, не означает отказа от прав на свою собственность.

Спокойный и достойный тон его заявлений о приоритете маскирует ту глубокую душевную травму, которая была нанесена ему «мелкой завистью цеховых ученых» и «невежеством окружающей среды», по словам К. А. Тимирязева. Достаточно сказать, что в 1850 г. он пытался покончить жизнь самоубийством, выбросившись из окна, и остался на всю жизнь хромым. Его травили в газетах, обвиняли скромного и честного ученого в мании величия, подвергли принудительному «лечению» в психиатрической больнице. С негодованием писал К.А.Тимирязев о тех, кто преследовал Майера и искалечил его жизнь «за то только, что он был гениальным ученым в среде окружающей его жалкой посредственности».

Майер умер 20 марта 1878 г. Незадолго до смерти, в 1874 г. вышло собрание его трудов по закону сохранения и превращения энергии под заглавием «Механика тепла». В 1876 г. вышли его последние сочинения «О торричеллиевой пустоте» и «Об освобождении сил».

Джоуль. Широкое, философское понимание закона сохранения энергии Майером, обобщение им закона на явления жизни и космос смущали физиков и рассматривались ими как метафизические размышления. Но проводимые одновременно и независимо от Майера эксперименты Джоуля подвели под обобщения Майера прочную экспериментальную основу.

Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 г. он опубликовал в «Philosophical Magazine» статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

Задолго до Джоуля аналогичные исследования были начаты петербургским академиком Э.Х. Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г. под заглавием «О законах выделения тепла гальваническим током». Ленц упоминает о работе Джоуля, публикация которого опередила публикацию Ленца, но считает, что, хотя его результаты в «основном совпадают с результатами Джоуля», они свободны от тех обоснованных возражений, которые вызывают работы Джоуля.

Ленц тщательно продумал и разработал методику эксперимента, испытал и проверил тангенс-гальванометр, служивший у него измерителем тока, определил применяемую им единицу сопротивления (напомним, что закон Ома к этому времени еще не вошел во всеобщее употребление), а также единицы тока и электродвижущей силы, выразив последнюю через единицы тока и сопротивления.

Ленц тщательно изучил поведение сопротивлений, в частности исследовал вопросе существовании так называемого «переходного сопротивления» при переходе из твердого тела в жидкость. Это понятие вводилось некоторыми физиками в эпоху, когда закон Ома еще не был общепризнанным. Затем он перешел к основному эксперименту, результаты которого сформулировал в следующих двух положениях:

«1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.

2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока».

Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля — Ленца.

Джоуль сделал свои эксперименты по выделению тепла электрическим током исходным пунктом дальнейших исследований выяснения связи между теплотой и работой. Уже на первых опытах он стал догадываться, что теплота, выделяемая в проволоке, соединяющей полюсы гальванической батареи, порождается химическими превращениями в батарее, т. е. стал прозревать энергетический смысл закона. Чтобы выяснить далее вопрос о происхождении «джоулева тепла» (как теперь называется теплота, выделяемая электрическим током), он стал исследовать теплоту, выделяемую индуцированным током. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты», доложенной на собрании Британской Ассоциации в августе 1843 г., Джоуль сформулировал вывод, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромаь нитную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индукционного тока.

Рис. 41. Схема опыта Джоуля

Вращая электромагнит индукционной машины с помощью падающего груза, Джоуль определил соотношение между работой падающего груза и теплотой, выделяемой в цепи. Он нашел в качестве среднего результата из своих измерений, что «количество тепла, которое в состоянии нагреть один фунт воды на один градус Фаренгейта, может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии поднять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут». Переводя единицы фунт и фут в килограммы и метры и градус Фаренгейта в градус Цельсия, найдем, что механический эквивалент тепла, вычисленный Джоулем, равен 460 кгс-м/ккал.

Этот вывод приводит Джоуля к другому, более общему выводу, который он обещает проверить в дальнейших экспериментах: «Могучие силы природы… неразрушимы,и… во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». Он утверждает, что животная теплота возникает в результате химических превращений в организме и что сами химические превращения являются результатом действия химических сил, возникающих из «падения атомов» Таким образом, в работе 1843 г. Джоуль приходит к тем же выводам, к которым ранее пришел Майер.

Сообщение Джоуля было встречено собранием Британской Ассоциации с недоверием. Джоулю не было еще 25 лет, когда он выступил с этими новыми революционными воззрениями. Однако Джоуль продолжал свои исследования и в 1845 г. опубликовал работу «Об изменениях температуры, вызванных сгущением и разрежением воздуха». Как и в работе 1843 г., экспериментальная установка помещалась в сосуд с водой, служивший калориметром. Установка состояла из нагнетательного насоса и сосуда с воздухом, подвергающимся сжатию. Воздух сжимался до 22 атмосфер, и измерялась выделяемая при этом теплота.

Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. Он принял меры для обеспечения постоянства температуры поступающего воздуха, учел поправки на теплоту, производимую трением, и установил, что механический эквивалент тепла в этом опыте равен 795 футо-фунтов на килокалорию (436 кгс-м/ккал). Затем Джоуль поместил в сосуд с водой два одинаковых сосуда, соединенные трубкой. В одном из сосудов воздух был сжат до 22 атмосфер, а из другого выкачан. Когда между обоими сосудами устанавливалось сообщение, измеряли температуру водяного резервуара. Она, как определил Джоуль, оставалась неизменной. Из этого часто описываемого в курсах термодинамики опыта Джоуль сделал вывод, что теплота не может быть веществом, она состоит в движении частиц тела. Из многочисленных опытов по нагреванию воздуха сжатием Джоуль нашел механический эквивалент теплоты равным 798 футо-фунтам на килокалорию (438 кгc*м/ккал).

Во второй работе 1845 г. и в работе 1847 г. Джоуль описывает многочисленные опыты с перемешиванием воды в калориметре. В 1850 г. он произвел новые классические опыты, из которых нашел значение механического эквивалента равным 424 кгс*м/ккал.

За опытами Джоуля с большим интересом следил молодой шотландский физик Вильям Томсон, будущий лорд Кельвин. Томсон еще в 1848 г. считал, что «превращение теплоты в механическую энергию, вероятно, невозможно и, безусловно, еще не открыто». Кажется странным, что современник паровых машин, паровозов и пароходов говорит о невозможности превращения теплоты в механическую энергию, но у Томсона, видимо, речь идет о другом. Он пишет: «Такой вывод можно сделать исходя из всего, что написано на эту тему. Противоположная точка зрения выдвигается Джоулем из Манчестера, поставившим целый ряд в высшей степени интересных опытов по выделению теплоты при трении жидкостей; некоторые хорошо известные явления в области электромагнетизма, по-видимому, в самом деле указывают на переход механической энергии в тепловую, но опыты, при которых имело бы место обратное преобразование, им не проводились».

Томсон знал работу Карно, знал, что Карно стоял на точке зрения теплорода. Ему известно было также, что ни Джоуль, ни кто-либо другой не проводил опытов по превращению теплоты в работу без остатка. Так намечался подход к будущему второму началу термодинамики. Тем не менее Томсон уже тогда глубоко интересовался работами Джоуля и в пятидесятых годах XIX в. провел совместно с ним знаменитый эксперимент, приведший к открытию эффекта, носящего имя Джоуля —Томсона.

Джоуль продолжал свои эксперименты и в 60-х и в 70-х годах. В 1870 г. он вошел в состав комиссии по определению механического эквивалента теплоты. В состав этой комиссии входили В. Томсон, Максвелл и другие ученые. Но Джоуль не ограничился работой экспериментатора. Он решительно встал на точку зрения кинетической теории теплоты и стал одним из основоположников кинетической теории газов. Об этой работе Джоуля будет сказано позднее.

Как мы уже говорили, Майер считал Джоуля одним из открывателей закона сохранения и превращения энергии. Но тогда уже многие претендовали на приоритет в этом открытии. Датский инженер Людвиг Август Кольдинг доложил в 1843 г. в Королевском Копенгагенском обществе о результатах своих опытов по определению отношения между механической работой и теплотой, которое он нашел равным 350. Майер упоминает о Гольцмане, который в 1845 г. вычислил механический эквивалент теплоты тем же методом, что и Майер. Можно было бы назвать ряд других имен, в той или иной мере причастных к великому открытию. Все это лишний раз доказывает, что время для открытия закона назрело и что к его открытию приходили разными путями врачи, ижене-ры, заводчики. Вопреки воззрениям цеховых ученых это красноречиво говорит о том, что жизнь и ее запросы являются основными двигателями научного прогресса.

Джоуль умер 11 октября 1889 г., за пять лет до смерти третьего члена «триады» Германа Гельмгольца.

Гельмгольц. Гельмгольц был одним из самых знаменитых физиков второй половины XIX столетия, общепризнанным лидером физической науки.

Герман Людвиг фердинанд Гельмгольц родился 31 августа 1821 г. в семье потсдамского учителя гимназии, в городе, бывшем резиденцией прусских королей, в том самом Потсдаме, где спустя 124 года после его рождения состоялась Потсдамская конференция, зафиксировавшая разгром фашистской Германии.

Гельмгольц получил медицинское образование, и его диссертация, защищенная им в 1842 г., была посвящена строению нервной системы. В этой работе двадцатидвухлетний врач впервые доказал существование целостных структурных элементов нервной ткани, получивших позднее название нейронов.

С 1843 г. начался служебный путь Гельмгольца в качестве потсдамского военного врача. Эскадронный хирург гусарского полка находил время и для занятия наукой. В 1845 г. он едет в Берлин для подготовки к государственным экзаменам на звание врача и здесь усердно занимается в домашней физической лаборатории Густава Магнуса.

Другим учителем Гельмгольца в Берлине был известный физиолог Иоганн Мюллер. В журнале Мюллера Гельмгольц опубликовал в 1845 г. работу «О расходовании вещества при действии мышц». В том же, 1845 г. молодые ученые, группировавшиеся вокруг Магнуса и Мюллера, образовали Берлинское физическое общество. В него вошел и Гельмгольц. С 1845 г. общество, превратившееся в дальнейшем в Немецкое физическое общество, стало издавать первый реферативный журнал «Успехи физики» («Fortschritte der Physik»).

Научное развитие Гельмгольца происходило, таким образом, в благоприятной обстановке возросшего интереса к естествознанию в Берлине. Уже в первом томе «Fortschritte der Physik in Jahre 1845», вышедшем в Берлине в 1847 г., был напечатан обзор, выполненный Гельмгольцем по теории физиологических тепловых явлений. 23 июля 1847 г он сделал на заседании Берлинского физического общества доклад «О сохранении силы». Подобно Майеру, Гельмгольц от физиологии перешел к закону сохранения энергии. Так же, как и у Майера, Поггендорф не принял работу Гельмгольца, и она была опубликована отдельной брошюрой в 1847 г.

На чествовании Гельмгольца по случаю его 70-летия он произнес 2 ноября 1891 г. речь, в которой охарактеризовал свой научный путь. Он указал, что под влиянием Иоганна Мюллера заинтересовался вопросом о загадочной сущности жизненной силы. Сам Мюллер в этом вопросе колебался между метафизическим учением виталистов и естественнонаучным подходом. Размышляя над этой проблемой, Гельмгольц в последний год студенчества пришел к выводу, что теория жизненной силы «приписывает всякому живому телу свойства так называемого perpetuum mobile». Гельмгольц был знаком с проблемой perpetuum mobile со школьных лет, а в студенческие годы «в свободные минуты… разыскивал и просматривал сочинения Даниила Бернулли, Даламбера и других математиков прошлого столетия». «Таким образом, я,— говорил Гельмгольц, — натолкнулся на вопрос: «Какие отношения должны существовать между различными силами природы, если принять, что perpetuum mobile вообще невозможен?» и далее: «Выполняются ли в действительности все эти отношения?» В моей книжке о сохранении силы я намеревался только дать критическую оценку и систематику фактов в интересах физиологов». Гельмгольц рассказывал, что авторитеты в то время не только не сочли его мысли известными, но, наоборот, «были склонны отвергать справедливость закона; среди той ревностной борьбы, какую они вели с натурфилософией Гегеля, и моя работа была сочтена за фантастическое умствование…». Однако в отличие от Майера Гельмгольц не был одинок, его поддержала научная молодежь, и прежде всего будущий знаменитый физиолог Дюбуа Реймон (1818—1896), и молодое Берлинское физическое общество. Что же касается отношения к работам Майера и Джоуля, то Гельмгольц неоднократно признавал приоритет Майера и Джоуля, подчеркивая, однако, что с работой Майера он не был знаком, а работы Джоуля знал недостаточно.

Обратимся к самой работе Гельмгольца. В отличие от своих предшественников он связывает закон с принципом невозможности вечного двигателя (perpetuum mobile). Этот принцип принимал еще Леонардо да Винчи, ученые XVII в. (вспомним, что Стевин обосновал закон наклонной плоскости невозможностью вечного движения), и, наконец, в XVIII в. Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечного двигателя. Гельмгольц считает принцип невозможности вечного двигателя тождественным принципу, что «все действия в природе можно свести на притягательные или отталкивательные силы». Материю Гельмгольц рассматривает как пассивную и неподвижную. Для того чтобы описать изменения, происходящие в мире, ее надо наделить силами как притягательными, так и отталкива-тельными. «..Явления природы, — пишет Гельмгольц, — должны быть сведены к движениям материи с неизменными движущими силами, которые зависят только от пространственных взаимоотношений».

Таким образом, мир, по Гельмгольцу, — это совокупность материальных точек, взаимодействующих друг с другом с центральными силами. Силы эти консервативны, и Гельмгольц во главу своего исследования ставит принцип сохранения живой силы Принцип Майера «из ничего ничего не бывает» Гельмгольц заменяет более конкретным положением, что «невозможно при существовании любой произвольной комбинации тел природы получать непрерывно из ничего движущую Силу». Этот принцип требует, чтобы «количество работы, которое получается, когда тела системы переходят из начального положения во второе, и количество работы, которое затрачивается, когда они переходят из второго положения в первое, всегда было одно и то же, каков бы ни был способ перехода, путь перехода или его скорость».

При этом мерой произведенной работы Гельмгольц считает половину про изведения (mv)2. «Для лучшего согласования с употребительным в настоящее время способом измерения силы я предлагаю величину 1/2(mv)2 обозначить как количество живой силы, благодаря чему она будет тождественна по величине с величиной затраченной работы». Таков важный шаг, сделанный Гельмголь-цем, в развитии закона сохранения энергии. Принцип сохранения живой силы в его формулировке гласит: «Если любое число подвижных материальных точек движется только под влиянием таких сил, которые зависят от взаимодействия точек друг на друга или которые направлены к неподвижным центрам, то сумма живых сил всех взятых вместе точек останется одна и та же во все моменты времени, в которые все точки получают те же самые относительные положения друг по отношению к другу и по отношению к существующим неподвижным центрам, каковы бы ни были их траектории и скорости в промежутках между соответствующими моментами». Гельмгольц выражает этот принцип математически формулой:

где Q и q — скорости в положениях R и г, Ф — «величина силы, которая действует по направлению r» и «считается положительной, если имеется притяжение, и отрицательной, если наблюдается отталкивание…».

Величину, выражаемую интегралом ?dr, Гельмгольц называет «суммой напряженных сил между расстояниями R и г», и закон сохранения энергии получает следующую формулировку: «увеличение живой силы точки при ее движении под влиянием центральной силы равно сумме соответствующих изменению ее расстояния напряженных сил». Сегодня мы вместо «увеличение живой силы» говорим «приращение кинетической энергии» и вместо «сумма напряженных сил» — «убыль потенциальной энергии».

Переходя к системе точек, Гельмгольц устанавливает общее положение: «Всегда сумма существующих в системе напряженных сил и живых сил постоянна». «В этой наиболее общей форме, — пишет Гельмгольц, — мы можем наш закон назвать принципом сохранения силы».

Сформулировав этот принцип, Гельмгольц рассматривает его применения в различных частных случаях. Он указывает, что сохранение живых сил уже применялось в таких случаях, как движения, происходящие под влиянием силы всемирного тяготения, в явлениях передачи движений при посредстве несжимаемых твердых и жидких тел, в движениях вполне упругих твердых и жидких тел. Останавливаясь, в частности, на явлениях интерференции волн, распространяющихся в упругой среде, Гельмгольц показывает, что при интерференции «не имеется никакого уничтожения живой силы, а лишь только иное распределение ее».

Рассматривая электрические явления, Гельмгольц находит выражение энергии точечных зарядов и показывает физическое значение функции, названной Гауссом потенциалом. Далее он вычисляет энергию системы заряженных проводников и показывает, что при разряде лейденских банок выделяется теплота, эквивалентная запасенной электрической энергии. Он показал при этом, что разряд является колебательным процессом и электрические колебания «делаются все меньше и меньше, пока, наконец, вся живая сила не будет уничтожена суммой сопротивлений».

Затем Гельмгольц рассматривает гальванизм. Он указывает, что количество теплоты, выделяемое в металлическом проводнике с сопротивлением w в течение времени t, «равно, по Ленцу»,

и показывает, что это соответствует работе электрических сил. Гельмгольц разбирает энергетические процессы в гальванических источниках, в термоэлектрических явлениях, положив начало будущей термодинамической теории этих явлений Рассматривая магнетизм и электромагнетизм, Гельмгольц, в частности, дает свой известный вы вод выражения электродвижущей силы индукции, исходя из исследований Неймана и опираясь на закон Ленца.

В своем сочинении Гельмгольц в отличие от Майера уделяет главное внимание физике и лишь очень бегло и сжато говорит о биологических явлениях. Тем не менее именно это сочинение открыло Гельмгольцу дорогу к кафедре физиологии и общей патологии медицинского факультета Кенигсбергского университета, где он в 1849 г. получил должность экстраординарного профессора. Эту должность Гельмгольц занимал до 1855 г. , когда он перешел профессором анатомии и физиологии в Бонн. Б 1858 г. Гельмгольц становится профессором физиологии в Гейдельберге. В Гейдельберге Гельмгольц много и успешно занимался физиологией зрения. Эти исследования существенно обогатили область знания и практическую медицину. Итогом этих исследований явилась знаменитая «физиологическая оптика» Гельмгольца, первый выпуск которой вышел в 1856, второй — в 1860, третий — в 1867 г.

Здесь же, в Гейдельберге, Гельмгольц проводил свои классические исследования по скорости распространения нервного возбуждения, по акустике. Его книга «Учение о звуковых ощущениях как физиологическая основа акустики» вышла в 1863 г. Наконец, в Гейдельберге вышли его классические работы по гидродинамике и основаниям геометрии.

С марта 1871 г. Гельмгольц становится профессором Берлинского университета. Он создает физический институт, в который приезжали работать физики всего мира, принимает активное участие в организации Государственного физико-технического института — центра немецкой метрологии, первым президентом которого он становится. Умер Гельмгольц 8 сентября 1894 г.

Разными путями шли открыватели закона сохранения и превращения энергии к его установлению. Майер, начав с медицинского наблюдения, сразу рассматривал его как глубокий всеобъемлющий закон и раскрывал цепь энергетических превращений от космоса до живого организма. Джоуль упорно и настойчиво измерял количественное соотношение теплоты и механической работы. Гельмгольц связал закон с исследованиями великих механиков XVIII в.

Идя разными путями, они наряду со многими другими современниками настойчиво боролись за утверждение и признание закона вопреки противодействию цеховых ученых. Борьба была нелегкой и порой принимала трагический характер, но она окончилась полной победой. Наука получила в свое распоряжение великий закон сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращение энергии. Формулировка и определение закона сохранения и превращения энергии

Закон сохранения и превращение энергии является одним из важнейших постулатов физики. Рассмотрим историю его появления, а также основные области применения.

Страницы истории

Для начала выясним, кто открыл закон сохранения и превращения энергии. В 1841 году английским физиком Джоулем и русским ученым Ленцем параллельно были проведены эксперименты, в результате которых ученым удалось на практике выяснить связь между механической работой и теплотой.

Многочисленные исследования, проводимые физиками в разных уголках нашей планеты, предопределили открытие закона сохранения и превращения энергии. В середине девятнадцатого века немецким ученым Майером была дана его формулировка. Ученый попробовал обобщить всю информацию об электричестве, механическом движении, магнетизме, физиологии человека, существовавшую в тот промежуток времени.

Примерно в этот же период аналогичные мысли были высказаны учеными в Дании, Англии, Германии.

Эксперименты с теплотой

Несмотря на многообразие идей, касающихся теплоты, полное представление о ней было дано только русским ученым Михаилом Васильевичем Ломоносовым. Современники не поддержали его идеи, считали, что теплота не связана с движением мельчайшим частиц, из которых состоит вещество.

Закон сохранения и превращения механической энергии, предложенный Ломоносовым, был поддержан только после того, как в ходе экспериментов Румфорду удалось доказать наличие движения частиц внутри вещества.

Для получения теплоты физик Дэви пытался плавить лед, осуществлял трение друг о друга двух кусков льда. Он выдвинул гипотезу, согласно которой теплота рассматривалась в качестве колебательного движения частиц материи.

Закон сохранения и превращение энергии по Майеру предполагал неизменность сил, вызывающих появление теплоты. Подобная идея была раскритикована другими учеными, которые напоминали о том, что сила связана со скоростью и массой, следовательно, ее значение не могло оставаться неизменной величиной.

В конце девятнадцатого века Майер обобщил свои идеи в брошюре и попытался разрешить актуальную проблему теплоты. Как использовался в то время закон сохранения и превращения энергии? В механике не было единого мнения относительно способов получения, превращения энергии, поэтому до конца девятнадцатого века этот вопрос оставался открытым.

Особенность закона

Закон сохранения и превращение энергии является одним из фундаментальных, позволяющих при определенных условиях измерять физические величины. Его называют первым началом термодинамики, основным объектом которого является сохранение этой величины в условиях изолированной системы.

Закон сохранения и превращения энергии устанавливает зависимость количества теплоты от разных факторов. В ходе экспериментальных исследований, проводимых Майером, Гельмгольцем, Джоулем, были выделены различные виды энергии: потенциальная, кинетическая. Совокупность этих видов была названа механической, химической, электрической, тепловой.

Закон сохранения и превращение энергии имел следующую формулировку: «Изменение кинетической энергии равно изменению потенциальной энергии».

Майер пришел к выводу, что все разновидности этой величины способны превращаться друг в друга в случае, если остается неизменным общее количество теплоты.

Математическое выражение

К примеру, в качестве количественного выражения закона, в химической промышленности выступает энергетический баланс.

Закон сохранения и превращения энергии устанавливает связь между величиной тепловой энергии, которая попадает в зону взаимодействия различных веществ, с тем ее количеством, которое уходит из данной зоны.

Переход одного вида энергии в другой не означает, что она исчезает. Нет, наблюдается лишь ее превращение в иную форму.

При этом наблюдается взаимосвязь: работа – энергия. Закон сохранения и превращения энергии предполагает постоянство этой величины (полное ее количество) при любых процессах, протекающих в изолированной системе. Это свидетельствует о том, что в процессе перехода одного вида в другой, соблюдается количественная эквивалентность. Для того чтобы дать количественную характеристику разных видов движения, в физике введена ядерная, химическая, электромагнитная, тепловая энергия.

Современная формулировка

Как читается закон сохранения и превращения энергии в наши дни? Классическая физика предлагает математическую запись данного постулата в виде обобщенного уравнения состояния термодинамической замкнутой системы:

W = Wk + Wp + U

Это уравнение показывает, что полная механическая энергия замкнутой системы определяется в виде суммы кинетической, потенциальной, внутренней энергий.

Закон сохранения и превращения энергии, формула которого была представлена выше, объясняет неизменность этой физической величины в замкнутой системы.

Основным недостатком математической записи является ее актуальность только для замкнутой термодинамической системы.

Незамкнутые системы

Если учитывать принцип приращений, вполне можно распространить закон сохранения энергии и на незамкнутые физические системы. Данный принцип рекомендует записывать математические уравнения, связанные с описанием состояния системы, не в абсолютных показателях, а в их числовых приращениях.

Чтобы в полной мере учитывались все формы энергии, предлагалось добавлять в классическое уравнение идеальной системы сумму приращений энергий, которые вызваны изменениями состояния анализируемой системы под воздействием различных форм поля.

В обобщенном варианте уравнение состояния имеет следующий вид:

dW = Σi Ui dqi + Σj Uj dqj

Именно это уравнение считается самым полным в современной физике. Именно оно стало основой закона сохранения и превращения энергии.

Значение

В науке нет исключений из данного закона, он управляет всеми природными явлениями. Именно на основании данного постулата можно выдвигать гипотезы о различных двигателях, включая и опровержения реальности разработки вечного механизма. Его можно применять во всех случаях, когда необходимо объяснять переходы одного вида энергии в другой.

Применение в механике

Как читается закон сохранения и превращения энергии в настоящее время? Его суть заключается в переходе одного вида этой величины в другой, но при этом ее общее значение остается неизменным. Те системы, в которых осуществляются механические процессы, именую консервативными. Такие системы являются идеализированными, то есть, в них не учитываются силы трения, иные виды сопротивлений, вызывающих рассеивание механической энергии.

В консервативной системе протекают только взаимные переходы потенциальной энергии в кинетическую.

Работа сил, которые действуют в подобной системе на тело, не связана с формой пути. Ее величина зависит от конечного и начального положения тела. В качестве примера сил такого рода в физике рассматривают силу тяжести. В консервативной системе величина работы силы на замкнутом участке равна нулю, а закон сохранения энергии будет справедлив в следующем виде: «В консервативной замкнутой системе сумма потенциальной и кинетической энергии тел, которые составляют системы, сохраняется неизменной».

К примеру, в случае свободного падения тела происходит переход потенциальной энергии в кинетическую форму, при этом суммарное значение этих видов не изменяется.

В заключение

Механическую работу можно рассматривать в качестве единственного способа взаимного перехода механического движения в иные формы материи.

Данный закон нашел применение в технике. После выключения двигателя автомобиля, происходит постепенная потеря кинетической энергии, последующая остановка транспортного средства. Исследования показали, что при этом наблюдается выделение определенного количества теплоты, следовательно, трущиеся тела нагреваются, увеличивая свою внутреннюю энергию. В случае трения либо любого сопротивления движению наблюдается переход механической энергии во внутреннюю величину, что свидетельствует о правильности закона.

Его современная формулировка имеет вид: «Энергия изолированной системы не исчезает в никуда, не появляется из ниоткуда. В любых явлениях, существующих внутри системы, наблюдается переход одного вида энергии в иной, передача от одного тела к другому, без количественного изменения».

После открытия данного закона физики не оставляют идею о создании вечного двигателя, в котором бы при замкнутом цикле не происходило изменения величины передаваемого системой тепла окружающему миру, в сравнении с получаемым извне теплом. Такая машина смогла бы стать неисчерпаемым источником тепла, способом решения энергетической проблемы человечества.

Ломоносов и превращения энергии — Справочник химика 21

    Закон сохранения и превращения энергии известен давно (Г. Лейбниц, М. В. Ломоносов и др.). Это универсальный закон, применимый как к явлениям в макросистемах, так и к явлениям, происходящим с участием малого числа молекул. Он был установлен в механике для взаимных переходов кинетической и потенциальной энергии, а впоследствии использован в теории электричества при анализе взаимных переходов электрической и магнитной энергии. В обоих случаях не учитывался теплообмен и рассматривались однотипные формы переходов энергии. [c.26]
    Таким образом, в отличие от закона сохранения и превращения энергии, который Ломоносов высказал и впервые в истории науки применял в своих исследованиях, но не доказал количественными измерениями, закон сохранения веса вещества был доказан им строго количественно. [c.75]

    В такой формулировке открытый Ломоносовым закон действительно является всеобщим естественным законом, так как включает в себя и закон сохранения массы, и закон сохранения энергии. Закон сохранения энергии в отличие от закона сохранения массы Ломоносов не подтвердил опытом. Закон сохранения и превращения энергии был экспериментально обоснован и утвержден в науке только сто лет спустя в 1841—1845 гг. трудами немецкого физика и врача Р. Майера, в 1843 г.— трудами английского физика Дж. Джоуля, в 1847 г.— трудами немецкого физика и физиолога Г. Гельмгольца и сформулирован так  [c.9]

    М. В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Спустя полтора столетия М. Планк отметил, что закон сохранения энергии лежит в основе представлений о физическом и материальном единстве мира. Понятие энергии наряду с понятиями пространства и времени является наиболее общим в естествознании. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. Его можно рассматривать как закон сохранения материи и присущих ей мер энергии — меры движения и массы —меры ее инертности. Как и энергия, масса системы при всех происходящих в ней превращениях не изменяется.[c.13]

    Одним из первых химических явлений, с которым человечество познакомилось на заре своего существования, было горение. Вна-ч-але оно использовалось для варки пищи и обогрева жилища. Лишь через многие тысячелетия человек научился использовать его для превращения химической анергии горючих веществ в механическую, электрическую и другие формы энергии. Представления об этом явлении менялись у человека по мере накопления им все новых и новых фактов. Впервые правильное представление о процессе горения высказал гениальный русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов (1711—1765 гг.), заложивший основы отечественной науки и установивший ряд важнейших законов современной химии и физики. Он провел большое количество опытов с прокаливанием свинца и олова в открытых и запаянных сосудах. Во всех опытах М. В. Ломоносов производил взвешивание вещества до прокаливания и после него. Он убедился, что металлы при прокаливании увеличиваются в весе за счет соединения их с воздухом (в то время кислород был неизвестен). В этих опытах он впервые установил основной закон химии — закон сохранения массы вещества. [c.5]


    Физическая химия начинается работами великого русского ученого М. В. Ломоносова. Открытием законов сохранения массы и энергии он заложил прочные основы физико-химической науки. В сравнительно далекое от нас время он прекрасно понимал связь между физическими и химическими явлениями. Ломоносов на основании известных ему сведений составил курс лекций по физической химии и читал его студентам Академии наук. Физическую химию он определял как науку, призванную дать физическое объяснение химическим превращениям. [c.5]

    Принципиальное расхождение Ломоносова с его предшественниками по вопросу о причине растворения веществ еще больше подчеркивает химическую сущность его атомистики. Вместо механической схемы Гассенди, Бойля и др. Ломоносов выдвинул другую схему, в.которой видную роль играют взаимодействие корпускул н их качественные особенности, а не величина и форма пор растворителя и растворенных частиц. Его схема растворения солей содержит идею о гидратации и указывает на превращение тепловой энергии в механическую работу растворения. [c.20]

    Развитие химии позволило сформулировать закон сохранения массы вещества. Сущность этого закона заключается в том, что общая масса химических веществ, вступающих во взаимодействие, равна массе образующихся при этом новых веществ. М. В. Ломоносов, распространяя этот закон на движение материи, смог подойти к формулировке закона сохранения и превращения не только материи, но и движения (энергии). Опыты М. В. Ломоносова по прокаливанию металлов подтвердили это положение. [c.9]

    Основоположником физической химии является великий русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов, который открыл законы сохранения массы и энергии веществ. В 1752 г. М. В. Ломоносов впервые основал курс физической химии и читал его студентам Академии наук. Физическая химия определялась как наука, объясняющая физическую сущность химических превращений.[c.6]

    Джоуль, как и М. В. Ломоносов, считает, что живая сила механического движения превращается в живую силу частиц нагретого тела. Но Джоуль, как и Бернулли, указывает на превращение живой силы механического движения в потенциальную энергию частиц тела (Джоуль говорил о притяжении частиц при их взаимном удалении). Теплота должна поэтому являться или живой силой, или притяжением через пространство. В первом случае мы можем представить, что частицы нагретого тела находятся, полностью или частично, в состоянии движения. Во втором случае мы можем предположить, что частицы взаимно удаляются при нагревании, так что они притягивают друг друга через пространство. Я склонен думать, что оправдаются обе эти гипотезы. В некоторых случаях, особенно в случае свободной теплоты, т. е. такой, которая обнаруживается термометром, теплота будет являться живой силой частиц тела, в которых теплота возбуждается. В других же случаях, особенно в случае скрытой теплоты, явления состоят в отделении частицы от частицы, что заставляет нх притягиваться одна к другой через большее пространство (1847 г. ) [9]. [c.104]

    Как уже было отмечено выше, Ломоносов был первым химиком, который строил и физику, и химию на основе молекулярной и атомной теории. Он открыл два основных закона современного естествознания — закон сохранения веса и закон сохранения энергии. Он был первым химиком, правильно объяснившим процессы превращения металлов в их окиси. [c.30]

    М. В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. С философской точки зрения его можно рассматривать как закон сохранения материи и присущих ей мер  [c.14]

    Закон сохранения и превращения энергии. Убедившись при помощи своих весов, что охлаждение и нагревание тел, иначе говоря, прибыль и убыль тепла не вызывают изменения их веса (массы), Ломоносов отверг господствовавший в его время взгляд на теплоту как на разновидность материи и объявил ее особой формой движения — внешним проявлением коловращательного движения невидимых элементарных частичек материи. Эта идея является основой механической теории теплоты, объяснившей нагревание тел при их механической обработке переходом движения (кинетической энергии) тела — инструмента в движение (тепловую энергию) невидимых частиц обрабатываемого тела (и инстру мента). [c.17]

    Хотя еще в XVIII столетии М. В. Ломоносов предложил энергетическую концепцию тепла и сформулировал в общем виде закон сохранения и превращения энергии, эти взгляды Ломоносова, правда, разделяемые его современниками (Д. Бернулли, Эйлер и др.), не могли сыграть существенную роль в развитии теории тепловых двигателей. Объяснялось это тем, что во времена Ломоносова отсутствовала возможность установления каких бы то ни было количественных связей для процессов преобразования энергии в тепловых машинах, так как единица измерения количества теплоты еще не была установлена. [c.8]


    Отвергая существование невесомых флюидов, Ломоносов под материей понимал то, что мы называем теперь веществом, и мерилом количества вещества считал вес его. В 1756 г. опытами по обжиганию металлов в запаянных стеклянных сосудах он экспериментально подтвердил неизменность веса вещества при химических реакциях и, следовательно, справедливость закона сохранения материи. Закон Ломоносова в части, относящейся к сохранению материи, формулируется теперь в применении к химическим процессам так вес всех веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу всех продуктов реакций (закон сохранения веса). Количественная оценка движения была найдена в понятии энергии, которая определяется как мера движения при переходе одних ее форм в другие. Мысль Ломоносова о сохранении двилсения высказывалась и ранее, но не в столь общей форме, а лишь в применении к простому перемещению тел, (Декарт). Эта мысль через сто лет была существенно дополнена Р. Майером, доказавшим эквивалентность возникающих и исчезающих форм движения материи, выралсенную через меру двил е-ния — энергию. Энергия не творится и не исчезает. Любая форма энергии способна превращаться в эквивалентное количество любой другой формы. Такова формулировка закона сохранения и превращения энергии. [c.16]

    М. В. Ломоносов первый подчеркнул, что закон сохранения является общим фундаментальным законом природы. Закон сохранения энергии выполняется при любых превращениях. С философской точки зрения его можно рассматривать как закон сохранения материи и присущих ей мер энергии — меры движения и массы — меры ее инертности. Как и энергия, масса системм при всех происходящих в ней превращениях не изменяется. [c.11]

    С глубокой древности и до середины XVIII века химия изучала качественную сторону превращения материи. В 1748 г. М. В. Ломоносов, первый открывший законы сохранения массы и энергии, применил весовой метод к изучению процессов окисления, и химия вступила в современный нам период количественных исследований. [c.235]

    Физическая химия применяет законы термодинамики, статистики, классической и квантовой механики для исследования химических явлений. Непосредственные контакты между химией и физикой долгое время оставались неопределенными и ограничивались развитием атомистики древних (П. Гассенди, 1592—1655) и использованием атомистических представлений прирешении физических задач (Бернулли, 1700—1780). М. В. Ломоносов был, по-ви-димому, первым, кто оценил необычайные возможности физики в раскрытии природы химических явлений. По крайней мере именно он был автором первого курса физической химии (1752), прочитанного им студентам Академии наук и названного Введение в истинную физическую химию . В дальнейшем методы этой науки развивались и совершенствовались медленно, так как ее прогресс зависел от успехов и химии, и физики. Лишь в 1887 г. в Лейпциге была учреждена кафедра физической химии, ставшая впоследствии крупным центром физико-химических исследований. Период между этими датами можно охарактеризовать как время напряженных поисков общих физических принципов, которые могли бы стать фундаментом для создания методов исследования химических процессов. В начале XIX в. С. Карно, отправляясь от неверной теории теплорода, сделал правильное заключение о работе тепловых машин доля теплоты, превращенной в работу, будет тем больше, чем больше разность температур нагревателя и холодильника. Глубокий смысл этого вывода был понят лишь в сере- дине прошлого века Р. Клаузиусом и В. Томсоном. С именами этих ученых и связано открытие важнейшего закона природы, I который называют вторым началом термодинамики. Клаузиус показал, что в изолированной системе сумма выделенной теплоты и совершенной работы является функцией состояния. Клаузиус называл ее эргалом в настоящее время для этой функции при- j нято название внутренняя энергия. Несколько лет спустя Клау- ] зиус открывает другую функцию состояния — энтропию эта функ- А ция позволяет предвидеть принципиальную возможность того или 4 иного процесса.  [c.4]


7.1. Оборачиваемость электрической и тепловой энергии. Закон Джоуля-Ленца

7.1. Оборачиваемость электрической и тепловой энергии.

Закон Джоуля-Ленца

Многочисленные опыты, проведенные в конце XVIII – начале XIX века, позволили не только установить основные свойства и законы электричества, но и сформулировать эпохальный по своей значимости вывод об эквивалентности между теплотой и механической работой: работа, или, как впоследствии стали формулировать, «энергия», никогда не теряется, а лишь переходит из одного вида в другой. Этот вывод, получивший впоследствии название закона сохранения и превращения энергии (см. подраздел 1.2), и заключался в том, что теплоту можно обратить в механическую работу и наоборот и что из определенного количества теплоты можно получить только определенное количество механической работы. Можно привести тысячи примеров, когда с помощью этого закона нашли свое объективное толкование результаты опытов в различных областях естествознания.

Основными положениями закона сохранения энергии воспользовались и электротехники при определении, например, количества тепловой энергии, выделяющегося в гальванической батарее вследствие химической реакции и превращающегося впоследствии в электрическую энергию. Однако особенность электрической энергии состоит в том, что само по себе электричество неприменимо. Человечество не может использовать его непосредственно подобно тому, как оно согревается теплотой, видит благодаря свету и т.п. Можно пользоваться только действием электрического тока, при котором электричество переходит в другие формы энергии.

Одним из первых глубоко исследовал свойства электрического тока в 1801–1802 годах петербургский академик В.В. Петров (1761– 1834), который провел множество экспериментов по изучению неизвестных в то время законов электрического тока. Изучив работы своих предшественников, Петров пришел к выводу, что более полное и всестороннее исследование электрического тока возможно лишь с помощью крупных гальванических батарей, действие которых будет более интенсивным и легче наблюдаемым. Для своих опытов Петров построил самую крупную в мире в те годы батарею из 4200 медных и цинковых кружков, уложенных в четырех деревянных ящиках, и получил от нее электродвижущую силу около 1700 вольт. Благодаря «лежачей» конструкции тяжелые металлические кружки не выдавливали жидкости, которой пропитывались бумажные кружки, разделяющие цинковые и медные элементы. Для изоляции он покрыл внутренние стенки ящиков сургучным лаком. Общая длина батареи составила 12 м. Все это позволило ему построить «огромную наипаче» батарею, которой не знал ещё мир. Уже в 1801 году он нашел зависимость силы тока от поперечного сечения проводника, в то время как немецкий физик Ом, работавший над этими проблемами, опубликовал результаты своих опытов только в 1827 году. Очень скоро им было замечено, что при прохождении электрического тока по проводнику последний нагревается.

В своих работах В.В. Петров описывает опыты по электролизу растительных масел, в результате которых он обнаружил высокие электроизоляционные свойства этих масел. Позднее масла получили широкое применение в качестве электроизоляционного материала. Желая продемонстрировать явление электролиза одновременно в нескольких трубках с водой, Петров впервые применил параллельное соединение приемников электрического тока. Работы этого выдающегося ученого установили возможность практического использования электрического тока для нагревания проводников.

Эмилий Христианович Ленц (1804–1865) – известный российский физик и электротехник, академик Петербургской академии наук, ректор Петербургского университета – родился в Дерпте (ныне Тарту, Эстония) в семье чиновника. После второго курса Дерптского университета отправился в 1823 году в трехлетнее кругосветное плавание. С помощью сконструированных им приборов (глубометра и батометра) занимался физическими исследованиями в водах Берингова пролива, Тихого и Индийского океанов, установил происхождение теплых и холодных морских течений, открыл закон океанических циркуляций. В 1829 г. принял участие в экспедиции на Кавказ, где проводил магнитные, термометрические и барометрические измерения в горных районах Кавказа и на побережье Каспийского моря. В 1830 году был назначен экстраординарным профессором и директором физического кабинета при Петербургской АН, в 1836 г. возглавил кафедру физики в Петербургском университете, а в 1863 г. стал ректором этого университета. Основные его работы посвящены электромагнетизму, вопросам теории и практического применения электричества, исследования в области которого Ленц начал в 1831 году в лаборатории первого русского электротехника – академика В.В. Петрова. Ленц стоял у истоков первой в России школы физиков-электротехников, последователями которой стали А.С. Попов, Ф.Ф. Петрушевский, В.Ф. Миткевич и др.

Зависимость количества выделяемой теплоты от силы тока изучали английский физик Джеймс Джоуль и русский физик Эмилий Ленц. Они пропускали ток по спирали, помещенной в калориметр с водой. Через некоторое время вода нагревалась. По её температуре легко было вычислить количество выделившейся теплоты. Из проведенных опытов практически одновременно Джоуль и Ленц пришли к выводу, что при прохождении гальванического тока I по проводнику, обладающему определенным сопротивлением R, в течение времени t совершается работа А :

А = I 2 Rt,

проявляющаяся в виде выделившейся теплоты.

Этот важнейший вывод обратимости электрической и тепловой энергии, теоретически обоснованный Уильямом Томсоном, получил название закона Джоуля–Ленца, а именем Джоуля названа единица механической работы в системе СИ.

Комбинируя проводники различного сопротивления, включенные последовательно в общую цепь, можно добиться концентрированного выделения большого количества теплоты на малом участке проводника с большим сопротивлением. На таком концентрировании выделения теплоты были основаны все первоначальные опыты превращения энергии электрического тока в тепловую и даже в световую энергию.

Всю свою жизнь В.В. Петров – член двух академий – прожил скромно и незаметно. 41 год он проработал в Медико-хирургической академии. За это время он провел много физических опытов, написал три книги и учебник по физике, которым пользовались в гимназиях всей России. Книги и научные статьи Петров писал на русском языке, чтобы их читало как можно больше людей, хотя в то время научные работы было принято писать на латыни. Он писал: «Я надеюсь, что просвещенные и беспристрастные физики по крайней мере некогда согласятся отдать трудам моим ту справедливость, которую важность сих последних опытов заслуживает».

 

Тема «закон сохранения механической энергии»

II. Проверка ЗУН

Цель:

Выявление и анализ имеющихся у учащихся ЗУН.

Задачи:

— проверить опорные знания учащихся о физических величинах, между которыми устанавливается зависимость: Ек, Ер, А;

— устранить в ходе проверки обнаруженные пробелы в знаниях, совершенствуя при этом ЗУН;

— стимулировать опрашиваемых и весь класс к активному участию в поиске более полных и правильных ответов.

Методы:

1) контроля: устная проверка знаний, некоторых мыслительных умений

2) стимулирования интереса к учению: групповая работа учащихся, работа с дидактическим материалом

Проверка домашнего задания «у всех» воспитывает ответственность учащихся, приучает к обязательности выполнения домашнего задания.

Необходимо создать для учащихся «ситуацию успеха» по результатам осмысления предыдущей деятельности. Учащиеся должны продемонстрировать то, что они уже знают и умеют. Это помогает создать положительный фон урока.

Оценка учителем — показывает качество выполнения работы, владение результатом своей деятельности, приносит ощущение радости успеха или горечь ошибок.

1.Организация работы (в группах- парах) с дидактическими карточками), направленной на выяснение степени усвоения заданного на дом материала, определение типичных недостатков в знаниях и их причины, ликвидацию обнаруженных недочетов.

— Я раздам на 6-8 пар карточки 2-x вариантов (дописать название, единицы физических величин, формулы)

Ваша задача заполнить пустую строку таблицы для определенной физической величины: работы, потенциальной или кинетической энергии, мощности. Эту работу вы выполните в четырех вариантах

КАРТОЧКА 1 вариант

Обозначение физических величин

Название

Единица измерения СИ

Формулы

А

Энергия

Fтяж

H

Сила упругости

= — k x

Сила трения

F = …mg

Ер

Потенциальная энергия тела поднятого над Землей

Дж

Ер=…

Потенциальная энергия упруго

деформированного

тела

…. = k x2/2

Ек

…=mv2/2

Теорема о потенциальной энергии

Теорема о кинетической энергии

КАРТОЧКА 2 вариант

Обозначение физических величин

Название

Единица измерения СИ

Формулы

Механическая работа

Энергия

Сила тяжести

Сила упругости

Сила трения

Потенциальная энергия тела поднятого над Землей

Потенциальная энергия упруго

деформированного

тела

Теорема о потенциальной энергии

Теорема о кинетической энергии

Постарайтесь выполнить это задание за 8 минут (время фронтального опроса).

2. Фронтальный опрос (Для экономии времени вопросы не читаем, а обучающиеся не получившие карточек, по порядку отвечают на вопросы. Получится связный рассказ по теме работа, энергия.

1) Что называют механической работой? Какая это величина- векторная или скалярная?

2) Какова общая формула работы?

3) Когда тело способно совершить работу? Приведите примеры.

4) Что называют энергией? В каких единицах выражается энергия в системе СИ?

1 .Заполняют карточки. Работают (в группах) с предложенными учителем карточками, показывая глубину и осознанность знания данной темы.

2. Фронтальный опрос.

Отвечают на дополнительные вопросы, на собственных примерах показывают осознанность, глубину понимания рассматриваемой физической величины.

III. Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала.

Цель:

Организация и направление к цели урока познавательной деятельности учащихся.

Задача:

— Сформулировать совместно с учащимися цели, темы и задач изучения нового материала;

— показать его практическую значимость;

Методы:

стимулирования и мотивации

Цель урока, сформулированная вместе с учащимися становиться для них личностно значимой. Демонстрация более «простого», «короткого» способа решения трудной задачи направлена на:

обеспечение осознания задач урока учащимися;

заинтересованное отношение к их реализации;

раскрытие цели для самих школьников.

Понимая замысел заданий учителя, дети могут в полной мере проявить активность, самостоятельность инициативу при работе над ними.

Как связаны между собой изменение энергии и совершение работы?

Работаем с учебником П 20 стр 130. Автор Гуревич

Рассмотрим пример1,2,3 Рис 164, 165.166.

Ответим на поставленные вопросы.

1. Как можно изменить энергию тела?

2. При каком условии энергия тела возрастает?

3. Не измена?

4. Уменьшается?

Демонстрационный опыт.

1 опыт. Опытная установка изображена на рис. 1. В ходе опыта изменяем высоту скатывания шарика, замечаем расстояние, на которое сдвигается брусок, лежащий на горизонтальной плоскости.


Рис. 1.

2. опыт. Опытная установка изображена на рис. 2. Нитяной маятник в начале висит неподвижно. Отмечаем это положение как нулевой уровень потенциальной энергии. Отклоняем маятник на некоторый угол и замечаем, что маятник проходит нулевой уровень и отклоняется в противоположное направление. Что произошло? Почему колебания прекращаются?


Рис. 2.

1.Работа с учебником.

2. Объясняют опыты

Из 1 опыта

Вывод: Чем с большей высоты скатывается шарик, тем большую скорость он приобретает и тем большую работу он может совершить, передвигая брусок.

Из 2 опыта

Вывод: Чем на больший угол отклоняем маятник из нулевого положения, тем большую скорость будет иметь маятник, проходя его. Значит, накопленная потенциальная энергия при отклонении маятника превращается в кинетическую, при прохождении нулевого положения, а затем снова превращается в потенциальную при отклонении в противоположном направлении. Колебания прекращаются потому, что механическая энергия теряется в результате действия непотенциальных сил (силы сопротивления воздуха).

III. Этап усвоения новых знаний

Цель:

Ознакомление учащихся с новым материалом

Задача:

Дать учащимся конкретное представление о

— законах сохранения и изменения полной механической энергии;

— ситуациях, в которых они выполняются,

— правилах применения изученных законов к решению задач.

Методы:

Репродуктивное изложение с элементами эвристической беседы.

Репродуктивное изложение для формирования знаний применяется по причине неготовности учащихся к проблемному изложению материала и в целях экономии времени. Но неоднократное возвращение к основной идее изучаемого закона на последующих этапах компенсирует то, что знания дети добыли не собственными усилиями.

Выразим это математически. Один ученик у доски, остальные учащиеся слушают и делают дополнения к ответам ученика у доски.

Деятельность учителя

3 опыт. Поиграем в мячик.

Отпускает из рук мячик. Мячик падает на пол и отскакивает. Рассмотрим движение мячика с точки зрения превращения механической энергии.

Вопрос.

1)За счёт действия какой силы происходит движение мячика вниз?

2). Вопрос.

Чему равна работа силы тяжести? Можно это выразить математически?

3)Вопрос.

Что можно сказать о скорости мячика при мере приближения к полу?

4)Вопрос.

Значит ли это, что с другой стороны работа силы тяжести равна изменению кинетической энергии тела? Если да, то вырази это математически?

5)Вопрос.

Насколько убывает потенциальная энергия и насколько увеличивается кинетическая?

6.Вопрос.

Преобразуй, полученное выражение так, чтобы в левой части выражения стали потенциальная и кинетическая энергии на начало движения, а в правой на момент удара о землю.

Спасибо, ты можешь садиться на место. Ты получил(а) очень важное математическое соотношение, которое носит название математическая запись закона сохранения энергии.

Движение мячика могло бы продолжаться сколь угодно долго, если бы не было потерь энергии на сопротивление, т.е. если бы тела взаимодействовали бы только друг с другом и не взаимодействовали бы только силами тяготения или упругости. В данном случае речь идёт о замкнутой системе тел.

Если ввести, что — есть полная механическая энергия, то закон сохранения полной механической энергия можно записать в виде:

— математическая запись закона сохранения полной механической энергии.

Формулировка закона:

Полная механическая энергия замкнутой, или изолированной, системы при всех изменениях в системе сохраняется.

Делая запись в тетради, ещё раз проследите вывод закона сохранения полной механической энергии.

Учебник стр 132-133

Закон сохранения полной механической энергии является частным случаем всеобщего закона сохранения энергии.

Прочитайте самостоятельно текст учебника на стр. 132-133. § 20.2.

Какой вывод вы сделали из прочитанного текста?

— Какие учебные задачи мы поставим перед собой при изучении этой темы?

3.Обобщение учителя

— «Если система замкнута, т.е. на тела не действуют внешние силы, то сумма Ер и Ек при любых взаимодействиях системы остается постоянной»

4. А если в задаче нужно учитывать Fтр, можно ли утверждать что вся Ер преобразуется в Ек?

Ответим на эти вопросы вместе и обобщим все вышесказанное.

Все силы, действующие на тело (результирующая сила), изменяют его скорость, т.е. его кинетическую энергию. А значит, совершают работу:

Это и есть закон сохранения полной механической энергии. Он получен из законов Ньютона, но имеет более широкую область применения, чем законы Ньютона. Полная механическая энергия сохраняется и для систем микрочастиц, для которых законы Ньютона неприменимы. Справедливость закона подтверждается экспериментально с высокой степенью точности.

5. В чем же физический смысл этого закона? Как вы понимаете его? Может ли механическая энергия исчезнуть в никуда или возникнуть ниоткуда?

Записать тему урока «Закон сохранения механической энергии»

1. Пробуют объяснить опыт

2. Отвечают на поставленные вопросы к опыту

1) Ответ.

За счёт действия силы тяжести

2)Ответ.

Работа силы тяжести равна убыли потенциальной энергии.

A=-(Ep2Ep1) (1)

3)Ответ.

Скорость мячика возрастает

4)Ответ.

Да.

A=Ek2Ek1 (2)

5)Ответ.

Можно предположить, что одинаково, учитывая, что работу одной и той же силы мы выразили в одном случае через убыль потенциальной энергии, а другом через увеличение кинетической.

Следовательно (1) =(2)

-(Ep2Ep1) =Ek2Ek1

6)Ответ.

Ek1 +Ep1 =Ek2+Ep2

3. Самостоятельно или

с помощью учителя

приходят к выводу:

если на

взаимодействующие

тела не действуют

внешние силы, то

сумма Ер и Ек при

любых взаимодействиях

тел системы остается

постоянной.

Записывают формулировку общего закона сохранения энергии

4.К потенциальным

силам относятся силы,

работа которых не

зависит от формы

траектории-Fт, Fупр;

непотенциальные

силы –Fтр, Fтяги

5. Механическая энергия

не возникает и не

пропадает. Она

превращается из

одного вида в другой.

Полная энергия остается

неизменной

6. В нашем опыте тело

движется под действием

Fт, Fтр нет, внешних

воздействий нет – значит, система замкнута и консервативна, поэтому применяем

формулу (2).

7. Если система

неконсервативна, т.е.

действуют

непотенциальные силы,

нужно применять формулу

(1), в которой эти силы

учитываются.

IV. Этап обеспечения планируемого уровня знаний.

Цель:

Усвоение знаний и умений на уровне осознания.

Задача:

— Выделить и повторить узловые моменты;

— проанализировать результат усваиваемых или усвоенных знаний,

— скорректировать знания

Методы:

1) частично — поисковый

2) организации учебно-познавательной деятельности (аналитические, дедуктивные)

Развитие умения анализировать приобретенные знания, явления, осуществлять дедуктивные умозаключения стимулирует развитие мышления. Выделяя главное, улавливая различия, сопоставляя и сравнивая, приводя свои знания в систему учащиеся избегают формализма в знаниях.

Проверка глубины понимания учащимися учебного материала, внутренних закономерностей и связей сущности новых понятий через:

создание нестандартной ситуации при использовании знаний;

— Я предлагаю вам заслушать сообщения и проанализировать какие превращения энергии происходят . выполняется ли зсэ:

1. историческая справка.

2.ГЭС, ПЭС.

3.ТЭС.

4.Вечный двигатель

1. Вступительное слово учителя

В “Британской энциклопедии” 1771г. записано: “Энергия — слово греческого происхождения, означает могущество, достоинство или действенность чего-либо…”. О законе сохранении энергии мы сегодня говорили на уроке, заслушаем историческую справку и сообщения о применении и условии выполнения ЗСЭ.

2. Историческая справка (готовят ученики).

Майер Юлиус Роберт (1814 -1874гг.) – немецкий врач, независимо от других сформулировал закон сохранения энергии. В статье, опубликованной в 1842 году, Майер ясно утверждает, что существует определенная связь между высотой, с которой подает некая масса, и выделившимся при ударе о землю некоторого количества теплоты. Майер попытался также вычислить механ

ический эквивалент теплоты

Об учёном, который впервые сформулировал и обосновал закон сохранения энергии, мы узнаем из доклада «Научная деятельность Германа Гельмгольца».

Портрет ученого на доске.

.Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд Фон (31.08.1821 — 08.09.1894гг.) — один из величайших учёных XIX века. В 1847 году он опубликовал классическую работу “О сохранении энергии”, где изложил философские и физические основания закона сохранения и превращения энергии и дал его математическую формулировку. Работа вызвала большой шум в научных кругах. Аналогичные идеи были выдвинуты рядом других ученых, однако Гельмгольцу принадлежит наиболее четкая формулировка важнейшего закона. Джоуль открыл Закон сохранения энергии для тепловых процессов. За 100 лет до Майера и Гельмгольца М.В.Ломоносов открыл Закон сохранения энергии.

В наше время главные виды энергии, за счет которых совер­шается работа,— это энергия, осво­бождающаяся при сгорании топлива (угля, нефти, газа), энергия падаю­щей воды и так называемая ядерная энергия. Но ни один из этих видов энергии не подается непосредственно к машинам.

На пути к машинам, в которых совершается работа, энергия пре­терпевает превращения из одной формы в другую. ТЭС, ГЭС,ПЭС

О «вечных двигателях». До того, как был открыт закон сохранения энергии, в течение столетий упорно делались попытки создать такую машину, которая позволила бы со­вершать больше работы, чем тра­тится энергии. Она даже заранее получила название «вечный двига­тель» (perpetuum mobile). Но такая машина никогда не была создана, и создана она быть не может.

На рисунке показана схема одного из бесчисленных проектов «вечного двигателя». Машина со­стоит из двух колес (шкивов), помещенных в верхней и нижней частях башни, наполненной водой. Через шкивы переброшен бесконеч­ный канат с прикрепленными к нему легкими ящиками. Из рисунка видно, что в каждый момент времени часть ящиков погружена в воду, в то время как остальные нахо­дятся в воздухе. Автор проекта уверял, что правые на рисунке ящики, всплывая под действием архимедовой силы, заставят вра­щаться колеса. На смену всплы­вающим ящикам в воду будут входить другие, поддерживая «веч­ное» движение. Вращающиеся ко­леса могли бы приводить в движение,

Рис.например, электрические генераторы, давая таким образом «бесплатную» энергию в неограниченном количе­стве, поскольку устройство действует «вечно».

В действительности такой дви­гатель работать не может. Ведь если одни ящики всплывают, то другие, наоборот, входят в воду. А эти входящие в воду ящики движутся против архимедовой силы. К тому же входят они в воду внизу, где на них действует сила давления всего столба воды, которая еще больше, чем архимедова сила.

Подобные ошибки легко найти в любом проекте «вечного двига­теля». Попытки создать такое устрой­ство обречены на неудачу. Закон сохранения энергии запрещает полу­чение работы большей, чем затра­ченная энергия.

Задача техники не в том, чтобы попытаться обойти закон сохранения энергии, а в том, чтобы уменьшать потери энергии в различных маши­нах, двигателях, генераторах.

2. Попробуйте, используя свои знания при решении задачи.

Пример задачи.

Найти полную механическую энергию тела массой 100г, которое на высоте 4м имело скорость 36 км/ч.

 

Дано:

m=100г

h=4м

v=36км/ч

 

g≈10м/с2

 

СИ

0,1кг

36.1000м

   3600с

10 м/с2

 

Решение:

Е=Ек+Еп  (3)

Ек=mv2/2 (1)

Еп=mgh   (2)

Формулы (1) и (2)

подставим в формулу (3)

получим

Е=mv2/2+mgh (4)

Вычисление:

1способ по действиям

            0,1кг·( 10м/с)2

(1) Ек=────────= 5Дж

                      2

(2) Еп=0,1кг· 10м/с2·4м = 4Дж

(3) Е= 5Дж+ 4Дж= 9Дж

Ответ: Е= 9Дж.

2 способ ( подставляем

численные данные в

общую формулу (4) )

     0,1кг·(10м/с)2                                     

Е=──────── +

0,1кг· 10м/с2·4м = 9 Дж

              2        

Презентации по применению

ЗСЭ

Доклад учащегося

Доклад ученика

Презентация

ТЭС

Доклад ученика Презентация

ГЭС,ПЭС

Доклад ученика Презентация

Задачу решают на месте, 1 обучающийся показывает ее решение на доске.

V. Этап закрепления нового материала.

Цель:

Усвоение умений пользоваться знаниями.

Задача:

Учить оперировать полученной информацией.

Методы:

Краткие сообщения о применении и выполнении зсэ

Тест. Закон сохранения энергии в механике

1. Закон сохранения энергии математически записывается следующим образом:

2. Систему называют замкнутой, если…

A. На нее действуют внешние силы.
Б. Сумма внешних сил равна нулю.

B. На нее действуют консервативные силы.

3. Парашютист спускается с постоянной скоростью. Kaкие преобразования энергии при этом происходят?

А. Потенциальная энергия парашютиста преобразуется полностью в его кинетическую энергию

Б. Кинетическая энергия парашютиста полностью преобразуется в его потенциальную энергию

В. Кинетическая энергия парашютиста полностью преобразуется во внутреннюю энергию парашютиста и воздуха

Г. Энергия взаимодействия парашютиста с Землей преобразуется во внутреннюю энергию взаимодействующих тел из-за сил сопротивления воздуха

4. Для системы тел, в которой действует сила тяжести, например для системы «Земля- падающее тело» или «Земля- тело, брошенное вверх» полная механическая энергия системы равна…

А. mgh + mv2/2 Б. kx2/2 + mv2/2 В. mgh2 –mgh1

5. Если между телами системы действует сила упругости, то полная механическая энергия запишется так:

А. mgh + mv2/2 Б. kx2/2 + mv2/2 В. mgh2 –mgh1

6.Шарику на нити, находящемуся в поло­жении равновесия, сообщили небольшую горизонтальную скорость (рис.). На какую высоту поднимется ша­рик?

А. 40 м Б. 20 м В. 10 м Г. 5 м

САМОПРВЕРКА- ВЗАИМОПРОВЕРКА

Выполняют тест

Взаимопроверка

Оценивание

VI. Этап информирования учащихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению.

Цель:

Восприятие и понимание всеми учащимися домашнего задания.

Задачи:

— Сообщить учащимся о домашнем задании,

— разъяснить методику его выполнения

— мотивировать необходимость и обязательность выполнения оптимального объема задания.

Методы: 1)самостоятельной познавательной деятельности учащихся:

самостоятельные работы по изучаемому материалу (работа с книгой)

самостоятельные работы по познавательной деятельности (по заданному образцу )

2)Дифференциация заданий

Самостоятельность выбор задания сможет превратить сам факт домашнего труда из скучной и нудной необходимости в увлекательную работу по самообразованию и проверке собственных умений.

Я предлагаю вам 3 вида домашнего задания.

1. Вы изучаете §20.2, письменно отвечаете на вопросы (3,4,5) после него.

2. Вы решаете 3 задачи, подробно объясняя решение каждой. Задачи на применение закона сохранения механической энергии решаете в общем виде в тетради. Стр 133-134.

3 Из упр. 20 решаете 2-3 задачи по выбору.

Возможно, вы выберете то, которое поможет вам лучше запомнить, усвоить все, что мы узнали и чему научились на сегодняшнем уроке или то, которое потребует минимальных затрат времени и сил, но его сложность будет ниже ваших учебных возможностей. Поэтому оценка за выполнение домашней работы будет выставлена с учетом — правильности выполнения задания,

— аккуратности оформления,

— соотношения ваших способностей с выбранным вариантом задания.

Проверка понимания учащимися содержания работы, способов ее выполнения, критериев оценки.

Аргументированный выбор вида домашнего задания

Рефлексивно – оценочный этап

Цель:

Рефлексия, оценка собственной деятельности

Задача:

Проанализировать, дать оценку успешности достижения цели и наметить перспективу на будущее.

Мысленное возвращение к прошлым действиям поможет увидеть результат своей работы и повторить ключевые моменты нового материала.

— Какую задачу мы ставили перед собой на уроке?

— Мы выполнили ее?

— Как именно мы ее выполнили?

— Сможете ли вы самостоятельно применить разработанную нами схему?

— По каким критериям мы оценим работу на уроке?

— Что вы можете предложить для более прочного усвоения этой темы

Самооценка и оценка работы класса и отдельных учащихся. Аргументация выставленных отметок, замечания по

уроку, предложения о возможных изменениях на последующих уроках.

Ввели понятие замкнутой изолированной системы, полной механической энергии

Получили закон сохранение механической энергии на опыте и экспериментально

Научится решать задачи с применением закона сохранения механической энергии

Да

Сообщения об открытии закона сохранения механической энергии, о выполнении этого закона в окружающем мире…

Сообщения о применении ЗСЭ.

Сообщение о вечном двигателе. Условиях выполнения зсэ.

Задача ⚠️ на применение закона сохранения энергии по физике

Многие явления, окружающие нас, объясняются с помощью законов физики. Одним из ключевых утверждений является закон сохранения энергии. Данный принцип взаимодействия разных типов энергии играют большую роль в развитии современной науки.

Что такое закон сохранения энергии

Согласно закону сохранения энергии, энергия тела при любых условиях не способна исчезнуть или появиться вновь, она может лишь трансформироваться из одного вида в другой.

Закон сохранения энергии является универсальным утверждением. Для разных направлений науки физики оно может иметь неодинаковую формулировку, однако смысл тезиса остается неизменным. В рамках дисциплины классической механики рассматривают закон сохранения механической энергии.

Закон сохранения энергии в механике Ньютона гласит, что величина полной механической энергии в условиях замкнутой системы физических тел, для которой характерно присутствие консервативных сил, является постоянной.

Замкнутая или консервативная система представляет собой физическую систему, на которую не действуют внешние силы.

В условиях замкнутой системы не наблюдается обмен энергией с окружающей средой. При этом ее собственная энергия сохраняет постоянство величины. Для такой системы характерны лишь внутренние силы и взаимодействие тел друг с другом. В системе потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию и наоборот. Простейшим примером замкнутой системы является снайперская винтовка и пуля.

Разновидности сил в механике

Внутри механической системы действуют силы, которые могут быть консервативными и неконсервативными. К первому типу относят силы, для которых характерна работа, независящая от направления движения тела, на которое они воздействуют. Такие силы рассчитывают путем определения начального и конечного положения этого объекта. По-другому консервативные силы называют потенциальными. В условиях замкнутого контура их работа равна нулю. Примерами консервативной силы являются сила тяжести и сила упругости.

Источник: questions-physics.ru

Остальные силы в системе относят к неконсервативным. Примерами таких сил являются сила трения и сила сопротивления. По-другому их называют диссипативными силами. Для них характерно отрицательное значение работы в условиях замкнутой механической системы при любых движениях объекта. При воздействии этих сил наблюдают убывание полной механической энергии системы. При этом энергия трансформируется в другие немеханические разновидности, к примеру, в тепло. Исходя из вышеизложенного, закон сохранения энергии в условиях замкнутой механической системы работает при отсутствии неконсервативных сил.

Полную механическую энергию системы можно представить как совокупность кинетической и потенциальной энергии, которые трансформируются друг в друга при определенных условиях.

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия представляет собой энергию взаимодействия физических объектов или их компонентов между собой.

Потенциальная энергия рассчитывается, исходя из взаимного расположения тел. На ее величину влияет расстояние между объектами. Расчет производится путем вычисления работы, которую необходимо совершить для транспортировки тела из точки отсчета в заданную точку в поле, для которого характерны консервативные силы.

Потенциальной энергией обладает любой физический объект, который находится в неподвижном положении на определенной высоте. В этом случае на тело воздействует сила тяжести, относящаяся к категории консервативных сил. Примерами тел, которые обладают такой энергией, являются вода на краю водопада или санки на вершине горы. Понять природу происхождения потенциальной энергии просто. В то время, когда объект поднимали до определенной высоты, была затрачена работа и энергия. Данная энергия осталась в запасе в поднятом теле и может быть использована для совершения работы.

Потенциальную энергию определяют высотой, на которой расположен объект, относительно начальной точки своего движения или другой точки, принятой за начало отсчета. В планетарном масштабе объекты, которые размещены на поверхности Земли, обладают нулевой потенциальной энергией. Но при подъеме на высоту \(h\), она увеличивается и становится равной:

\(E_П = mgh\)

где \(m\) обозначает массу объекта, \(g\) является ускорением свободного падения и равно 9,8 м/с2, а \(h\) — это высота центра масс объекта относительно земной поверхности.

Если тело будет падать с высоты \(h_1\) до какой-то точки на высоте \(h_2\), можно наблюдать работу силы тяжести. Данная величина будет равна изменению потенциальной энергии и соответствует отрицательному значению. Это объясняется уменьшением потенциальной энергии при падении объекта.

\(A = — (E_{П2} – E_{П1}) = — Δ E_П\)

где \(E_{П1}\) является потенциальной энергией тела на высоте \(h_1\), а \(E_{П2}\) представляет собой потенциальную энергию объекта на \(h_2\).

В ситуации, когда объект поднимают на высоту, работа совершается против силы тяжести. Тогда ее величина будет положительной, а потенциальная энергия будет увеличиваться.

Наличие потенциальной энергии характерно и для упруго деформированного тела (к примеру, сжатой или растянутой пружины). Величина потенциальной энергии определяется жесткостью пружины и длиной ее сжатия или растяжения. Формула для расчета имеет следующий вид:

\(Е_П = k*(Δx)2/2\)

где \(k\) является коэффициентом жесткости, \(Δх\) — удлинением или сжатием объекта.

Потенциальная энергия пружины может совершать работу.

Кинетическая энергия

Кинетическая энергия (от греческого «кинема» — «движение») — это энергия движения физического тела.

Величина кинетической энергии определяется скоростью движения объекта. Примерами тел, которые обладают кинетической энергией, являются:

  • футбольный мяч, катящийся по полю;
  • скатывающиеся с горы санки;
  • стрела, выпущенная из лука, и др.
Источник: fonwall.ru

Покоящееся тело обладает нулевой кинетической энергией. При воздействии силы или нескольких сил оно приводится в движении. Во время перемещения объекта действующие на него силы совершают определенную работу. Данная величина изменяет скорость тела от нуля до значения \(V\) и называется кинетической энергией тела, масса которого равна \(m\). В случае, когда в начале временного отсчета объект уже двигался со скоростью \(V_1\), а в конечный момент приобрел скорость \(V_2\), работа, совершаемая силой или силами, оказывающими воздействие на объект, равна увеличению кинетической энергии этого тела.

\(ΔЕ_К = Е_{К2} – Е_{К1}\)

При совпадении векторов сил с направлением движения работа будет иметь положительное значение, а кинетическая энергия будет увеличиваться. В случае, когда сила противоположна движению объекта, будет совершаться отрицательная работа, а тело начнет отдавать кинетическую энергию.

Формул закона сохранения механической энергии

Любой объект, расположенный на высоте, обладает потенциальной энергией. Во время движения при уменьшении высоты данная энергия утрачивается, но не исчезает, а трансформируется в кинетическую энергию этого тела. Если представить груз, закрепленный на какой-то высоте, то в этой точке потенциальная энергия тела будет иметь максимальную величину. При падении груз будет совершать движение с определенной скоростью. Таким образом объект приобретает кинетическую энергию при одновременном уменьшении потенциальной энергии. В точке падения груз будет обладать максимальной кинетической энергией и нулевой потенциальной.

Примеры преобразования потенциальной энергии в кинетическую:

  • мяч, сброшенный с высоты, приобретает кинетическую энергию и утрачивает потенциальную;
  • во время нахождения санок на вершине горы их кинетическая энергия равна нулю, а при движении ее величина увеличивается, вместе с тем потенциальная энергия уменьшается, но суммарная энергия остается постоянной;
  • яблоко, которое висит на дереве, обладает потенциальной энергией, трансформирующейся в кинетическую при его падении.

Данные примеры служат наглядным подтверждением закона сохранения энергии. Согласно справедливому утверждению, полная энергия механической системы — постоянная величина. Она не меняется при перемещении объекта, в то время как потенциальная энергия переходит в кинетическую и наоборот. При увеличении кинетической энергии на определенное значение на такую же величину будет уменьшена потенциальная энергия. Замкнутую систему физических тел можно описать следующей формулой:

\(E_{k1} + E_{п1} = E_{k2} + E_{п2}\)

где \(E_{k1}\), \(E_{п1}\) — значения кинетической и потенциальной энергии до какого-либо взаимодействия, а \(E_{k2}\) , \(E_{п2}\) — соответствующие энергии после взаимодействия.

Явление преобразования кинетической энергии в потенциальную и наоборот можно наблюдать на примере раскачивающегося маятника.

Источник: depositphotos.com

Достигая крайнего правого положения, маятник прекращает движение. В этой точке его высота над поверхностью отсчета будет иметь максимальное значение, как и его потенциальная энергия. Кинетическая энергия тела при этом равна нулю при отсутствии движения. Во время движения маятника вниз его скорость начинает прирастать. В нижней точке кинетическая энергия маятника достигнет максимального значения. Преодолев нижнюю отметку, объект начинает движение вверх в левую сторону. При этом можно наблюдать увеличение потенциальной энергии и уменьшение кинетической.

Исаак Ньютон, демонстрирую трансформацию энергий тела, изобрел механическую систему, которая носит название колыбели Ньютона или шаров Ньютона.

Источник: wikimedia.org

В данной системе при отпускании первого шара энергия и импульс, которыми он обладает, передаются последнему шару, проходя через три промежуточных шарообразных объекта. Данные тела сохраняют неподвижное положение. Последний шар при этом будет отклонен от исходной отметки с такой же скоростью и на такую же высоту, что и первое тело. После завершения движения последнего шара он передаст энергию и импульс с помощью промежуточных шаров первому объекту. Объяснить процесс можно следующим образом:

  1. Шар, который отклонили в сторону и зафиксировали, характеризуется максимальной потенциальной энергией.
  2. В начальной точке кинетическая энергия этого тела будет равна нулю.
  3. Во время движения потенциальная энергия утрачивается, преобразуясь в кинетическую энергию.
  4. В моменте столкновения первого шара со вторым его кинетическая энергия будет максимальной, а потенциальная — равна нулю.
  5. Через промежуточные шары кинетическая энергия передается к пятому шару.
  6. Получая объем кинетической энергии, последнее тело приводится в движение и начинает подъем вверх на высоту, соответствующую высоте, на которой находился первый шар в начальной точке движения.
  7. Кинетическая энергия в верхней отметке полностью переходит в потенциальную.
  8. При дальнейшем падении происходит передача энергии шарам в обратной последовательности.

Описанный опыт может продолжаться бесконечно при отсутствии неконсервативных сил, которые воздействуют на систему в реальных условиях. Под действием диссипативных сил шары будут утрачивать энергию. Скорость и амплитуда тел будут снижаться. В конце можно наблюдать полную остановку движения объектов. Данный процесс подтверждает справедливость утверждения о том, что закон сохранения энергии работает в условиях отсутствия неконсервативных сил.

Применение закона сохранения механической энергии

Утверждение о неизменности суммы нескольких энергий, которые характерны для определенной системы, актуально в настоящее время. Благодаря открытию закона сохранения энергии, физические дисциплины получили активное развитие, что послужило триггером для инноваций в области науки и техники. К примеру, единство живой природы было детально обосновано с помощью лабораторных практик в процессе исследований закона сохранения механической энергии. Понимание закономерности трансформации одной формы энергии в другую проливает свет на глубину внутренних связей между формами материи. Закон применим к любым явлениям, которые происходят в живой и неживой природе.

Вывод математической записи связи между разными типами движения является одной из важных тем стандартной школьной программы и включен в основы термодинамики. Применение данного соотношения служит ключом к решению распространенных задач единого государственного экзамена. Основные физические правила способны объяснить многие процессы, которые происходят в Солнечной системе и связаны с изменением положения тел в течение определенного промежутка времени. Механическое движение объектов изучают с помощью закона сохранения энергии. Математические исследования существенно упрощаются благодаря постоянству суммарной энергии механической системы.

Примеры разноуровневых задач от простых до сложных, алгоритм решения

Многие задания на закон сохранения энергии требует определения начального и конечного состояния системы. В первую очередь целесообразно представить равнение для начальной энергии системы и сравнить его с конечной. При этом нулевой уровень отсчета потенциальной энергии системы необходимо использовать при записи потенциальной энергии тела. {2}}=1000 H/m\)

Ответ: жесткость пружины составляет 1000 Ньютон на метр.

Решение задач по физике любой сложности по силам не только студенту, но и школьнику. Если в процессе обучения все же возникают проблемы, всегда можно обратиться за помощью к Феникс.Хелп.

Внутренняя энергия — Энергетическое образование

Рисунок 1. Стакан воды обманчиво спокоен; внутри это масса высокоскоростных частиц и прочных химических и ядерных связей. [1]

Внутренняя энергия [математика](U)[/математика] — это микроскопическая энергия, содержащаяся в веществе, определяемая случайной, неупорядоченной кинетической энергией молекул. Кроме того, она включает в себя потенциальную энергию между этими молекулами и ядерную энергию, содержащуюся в атомах этих молекул. [2] Внутренняя энергия и тепловая энергия очень похожи в базовом термодинамическом контексте. Однако они отличаются тем, что внутренняя энергия включает в себя гораздо больше, чем просто среднюю кинетическую энергию молекул. Это различие важно, потому что потенциальные энергии между молекулами и атомами важны для понимания фазовых переходов, химических реакций, ядерных реакций и многих других микроскопических явлений.

Все объекты в космосе обладают макроскопической и микроскопической энергией.Хотя они очень похожи по своей концепции, главное отличие состоит в том, что микроскопическую энергию нельзя увидеть. Например, стакан воды на столе не имеет видимой макроскопической энергии, но в микроскопическом масштабе это масса высокоскоростных молекул, движущихся со скоростью сотни метров в секунду. [3]

Первый закон термодинамики гласит, что внутреннюю энергию можно изменить в системе, совершая над ней работу, добавляя/отводя от нее теплоту или комбинируя оба этих действия. Если система изолирована, ей запрещено взаимодействие с окружающей средой, а это означает, что внутренняя энергия не может измениться.

Для дальнейшего чтения

Каталожные номера

  1. ↑ flyupmike, Pixabay [онлайн], доступно: http://pixabay. com/p-475451/?no_redirect[Дата обращения: 13 июля 2018 г.]
  2. ↑ Рэндалл Найт, Физика для ученых и инженеров, 3-е изд. Нью-Йорк: Пирсон, 2013, гл. 17, с. 470.
  3. ↑ Гиперфизика, Внутренняя энергия [Онлайн], доступно: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/thermo/inteng.html

Отчет










 

Введение
Существует научный закон, называемый законом сохранения массы, открытый Антуаном Лавуазье в 1785 году.В самой компактной форме оно гласит:
Материя не создается и не разрушается.
В 1842 году Юлиус Роберт Майер открыл закон сохранения энергии. В самой компактной форме он теперь называется Первым законом термодинамики:
Энергия не создается и не уничтожается.
В начале 20-го века Альберт Эйнштейн объявил об открытии уравнения E= mc2, и, как следствие, два вышеуказанных закона были объединены в Закон сохранения массы-энергии:
Общее количество массы и энергии в вселенная постоянна.
Что это значит для нас? Что ж, эти законы позволяют нам сбалансировать химические уравнения, рассчитать количество продуктов и определить, будут ли реакции самопроизвольными.
Вся наша система стехиометрии основана на истинности этих законов. Цель этого лабораторного эксперимента — проверить первый из этих законов, Закон сохранения массы.
Если бы вы планировали эксперимент, чтобы подтвердить этот закон, вы бы хотели наблюдать две вещи: 1) имеет место реакция; 2) Суммарная масса всех реагентов равна (в пределах погрешности эксперимента) суммарной массе всех продуктов.Чтобы наблюдал протекающую реакцию, должно произойти изменение цвета, выделение газа или какое-то другое химическое изменение, которое можно наблюдать визуально. Есть реакции, которые мы наблюдаем довольно часто, такие как сжигание древесины, которые можно было бы использовать, но которые трудно измерить количественно, потому что их продукты улетучиваются, как только они производятся. Когда древесина горит, она превращается в воду и углекислый газ, которые выделяются в виде газов, как только они образуются. Что еще более важно, другим побочным продуктом этой реакции является сильное тепло, которое затрудняет улавливание газов и выходит за рамки технологии, доступной в большинстве лабораторий вводной химии.
Поскольку реакция сульфата меди (II) и металлического цинка в водном растворе HCl полезна для наших целей, так как она вызывает как изменение цвета, так и выделение газа. За реакцией можно следить, наблюдая за потерей синей окраски раствора, выделением газообразного водорода и образованием твердой меди. Путем количественного определения реагентов и продуктов этой реакции мы сможем подтвердить, что общая масса осталась неизменной (в пределах ошибки эксперимента), а также визуально подтвердить, что реакция действительно произошла.

Как всегда в лаборатории, наряду с изучением новой концепции служат и другие цели. Мы также вернемся к использованию аналитических весов и приготовим наш первый химический раствор. Вы заметите, что фраза «в пределах экспериментальной ошибки» используется пару раз выше. Это связано с тем, что в любом эксперименте теряется определенное количество реагента и продукта, когда они переносятся из колбы в колбу или проливаются, разбрызгиваются или роняются как часть человеческой ошибки в эксперименте.Эти «ошибки» необходимо учитывать при сообщении результатов любого эксперимента. Статистические данные часто используются для указания относительной важности ошибки. Например, потеря 100 граммов продукта может показаться огромной, если не сравнивать ее с ожидаемой массой продукта 2,5 x 106 г. Тогда эта ошибка кажется действительно очень маленькой. Мы будем использовать этот эксперимент, чтобы практиковать наши знания и использовать статистику (Приложение 4), чтобы сообщить об ошибке в массе продуктов, созданных из массы реагентов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Веб-сайт кабинета физики

Преобразование энергии на американских горках

Катание на американских горках — это захватывающее приключение, в котором задействована богатая физика.Частью физики американских горок является физика работы и энергии. Поездка часто начинается с того, что цепь и двигатель (или другое механическое устройство) воздействуют на состав вагонов, чтобы поднять поезд на вершину очень высокого холма. Как только автомобили поднимаются на вершину холма, гравитация берет верх, и оставшаяся часть поездки представляет собой опыт преобразования энергии.

Автомобили на вершине холма обладают большим количеством потенциальной энергии. Потенциальная энергия — энергия вертикального положения — зависит от массы объекта и высоты объекта.Большое количество потенциальной энергии автомобиля связано с тем, что они подняты на большую высоту над землей. По мере того, как автомобили снижаются при первом падении, они теряют большую часть этой потенциальной энергии в соответствии с потерей высоты. Впоследствии автомобили приобретают кинетическую энергию. Кинетическая энергия — энергия движения — зависит от массы объекта и скорости объекта. Поезд каботажных вагонов ускоряется по мере того, как они теряют высоту. Таким образом, их первоначальная потенциальная энергия (из-за их большой высоты) преобразуется в кинетическую энергию (что проявляется в их высоких скоростях).По мере того, как поездка продолжается, поезд из автомобилей постоянно теряет и набирает высоту. Каждое увеличение высоты соответствует потере скорости, поскольку кинетическая энергия (из-за скорости) преобразуется в потенциальную энергию (из-за высоты). Каждая потеря высоты соответствует увеличению скорости, поскольку потенциальная энергия (из-за высоты) преобразуется в кинетическую энергию (из-за скорости). Это преобразование механической энергии из формы потенциальной в форму кинетической и наоборот показано на анимации ниже.

Поездка на американских горках также иллюстрирует взаимосвязь между работой и энергией. Работа, совершаемая внешними силами, способна изменить общее количество механической энергии от начального значения до некоторого конечного значения. Количество работы, совершаемой внешними силами над телом, равно количеству изменения полной механической энергии тела. Отношения часто формулируются в виде следующего математического уравнения.

KE начальный + PE начальный + W внешний = KE окончательный + PE окончательный

Левая часть уравнения включает полную механическую энергию (KE начальное + PE начальное ) для начального состояния объекта плюс работа, совершаемая над объектом внешними силами (W внешнее ), в то время как правая часть уравнения включает полную механическую энергию (KE final + PE final ) для конечного состояния объекта.

Как только американские горки достигают своей первоначальной вершины и начинают спуск через петли, повороты и небольшие холмы, единственными силами, действующими на автомобили горок, являются сила тяжести, нормальная сила и диссипативные силы, такие как сопротивление воздуха. Сила тяжести является внутренней силой, и поэтому любая работа, совершаемая ею, не изменяет полную механическую энергию поезда вагонов. Нормальная сила, с которой гусеница давит на вагоны, является внешней силой. Однако оно всегда направлено перпендикулярно движению вагонов и, таким образом, не способно воздействовать на вагоны.Наконец, сила сопротивления воздуха равна , способной совершать работу с автомобилями и, таким образом, отнимать небольшое количество энергии из общей механической энергии, которой обладают автомобили. Однако из-за сложности этой силы и ее небольшого вклада в большое количество энергии, которой обладают автомобили, ею часто пренебрегают. Пренебрегая влиянием сопротивления воздуха, можно сказать, что полная механическая энергия поезда сохраняется во время движения. Другими словами, общее количество механической энергии (кинетическая плюс потенциал), которой обладают автомобили, остается неизменной на протяжении всей поездки.2 PE = масса * г * высота

Если использовать значение ускорения свободного падения 9,8 м/с/с вместе с предполагаемой массой каботажного автомобиля (скажем, 500 кг), можно определить кинетическую энергию, потенциальную энергию и полную механическую энергию. Какое значение вы найдете для полной механической энергии автомобиля в любой точке пути?

Последней особенностью приведенной выше анимации является использование гистограмм работы-энергии. Гистограммы рабочей энергии — это концептуальный инструмент, который отображает количество каждой формы энергии, которой обладает объект, когда он подвергается определенному движению.Гистограммы работы и энергии для каботажного автомобиля показывают, что энергия автомобиля преобразуется из потенциальной в кинетическую и наоборот; тем не менее общее количество механической энергии остается неизменным в ходе движения.


Для получения дополнительной информации о физических описаниях движения посетите Учебное пособие по физике. Подробная информация доступна там по следующим темам:

Потенциальная энергия

Кинетическая энергия

Механическая энергия

Внутреннее vs.Внешние силы

Работа

Теорема работы-энергии

Гистограммы работы-энергии

Что изучает превращение энергии? – Restaurantnorman.com

Что изучает превращение энергии?

Термодинамика — это наука о том, как энергия переходит из одного типа в другой. Законы термодинамики применимы к энергии и преобразованиям энергии.

Как называется преобразование энергии?

преобразование энергии

Каковы некоторые примеры преобразования энергии?

Каковы некоторые примеры преобразования энергии?

  • Солнце преобразует ядерную энергию в тепловую и световую энергию.
  • Наши тела преобразуют химическую энергию пищи в механическую энергию, необходимую для движения.
  • Электрический вентилятор преобразует электрическую энергию в кинетическую.

Кто открыл превращение энергии?

В 1845 году Джеймс Прескотт Джоуль открыл связь между механической работой и выделением тепла. Эти разработки привели к теории сохранения энергии, формализованной в значительной степени Уильямом Томсоном (лордом Кельвином) как область термодинамики.

Обладают ли люди кинетической энергией?

Кинетическая энергия также генерируется человеческим телом, когда оно находится в движении. Также были проведены исследования с использованием кинетической энергии и ее последующего преобразования в другие виды энергии, которые затем используются для питания всего, от фонариков до радиоприемников и многого другого.

Куда уходит энергия нашего тела, когда мы умираем?

«Человек проходит состояния умирания, начиная с принятия со стороны тела, отвода энергии через чакры, предсмертного видения, до окончательного рассеяния души.

Как называется движение тела после смерти?

Трупный спазм, также известный как посмертный спазм, мгновенное трупное окоченение, каталептическая ригидность или мгновенная ригидность, представляет собой редкую форму ригидности мышц, которая возникает в момент смерти и сохраняется в период трупного окоченения.

Как долго длится трупное окоченение у человека?

Время начала заболевания варьирует, но обычно считается, что оно появляется через 1–6 часов (в среднем через 2–4 часа) после смерти.В зависимости от обстоятельств трупное окоченение может длиться от нескольких часов до нескольких дней.

Как выглядит трупное окоченение?

Rigor mortis (лат. rigor «жесткость» и mortis «смерть»), или посмертная ригидность, является третьей стадией смерти. Это один из узнаваемых признаков смерти, характеризующийся окоченением конечностей трупа, вызванным химическими изменениями в мышцах после смерти (в основном кальцием).

Сколько времени требуется телу, чтобы остыть после смерти?

Человеческому телу требуется около 12 часов, чтобы стать прохладным на ощупь, и 24 часа, чтобы полностью остыть.Трупное окоченение начинается через три часа и продолжается до 36 часов после смерти.

преобразований энергии | Texas Gateway

Этот ресурс представляет собой подборку текстов, видео и других элементов для создания обучающего процесса 5E для учащихся. Это предназначено для обучения Уровня I в соответствии с моделью реагирования на вмешательство (RtI) для естественных наук TEKS (9) (C) 6 класса, в частности, преобразования энергии.

Обязательно проверьте необходимые знания и навыки, а также потребности в дифференциации, просмотрев весь ресурс и связанные элементы, прежде чем назначать его или работать с ним со своими учениками.

Этот ресурс можно использовать для обучения различными способами.

• Использование с одним компьютером и проектором; этот ресурс может быть предоставлен в традиционном классе.
• Использование с комбинацией компьютеров учеников, компьютера учителя и проектора (либо в компьютерном классе, либо в другой среде 1:1).
• Назначение ресурса учащимся в качестве работы вне учебного дня в рамках «перевернутого класса», чтобы обеспечить применение, практику и дополнительную поддержку в течение учебного дня.
• Используйте со студентами в качестве учебных пособий.
• Делитесь с родителями информацией о том, чему их ребенок учится в школе.
• Используйте с учащимися, которые не могут участвовать в традиционной школьной среде.


Engage
Engage создан для игр и развлечений. Иногда все, что нужно, — это глупая картинка или видео, чтобы заставить учащихся задуматься об одном слове или понятии. Не каждый урок естествознания должен начинаться с чего-то академического или научного; иногда улыбка — это все, что нужно, чтобы заинтересовать учащихся.

Исследовать
Учащиеся смотрят видео о машине Руба Голдберга, установившей мировой рекорд. Это предназначено для того, чтобы учащиеся подумали о том, сколько различных типов энергии присутствует, и понаблюдали, как энергия меняется или преображается.

Классный вариант
Если возможно, предложите учащимся выполнить некоторые практические действия, иллюстрирующие преобразование энергии. Например, генераторы с ручным приводом являются прекрасным примером преобразования механической энергии в электрическую энергию, которая может быть преобразована в свет, тепло, звук и/или механическую энергию в зависимости от типа создаваемой цепи.

Объяснение
Объяснение обсуждает, что такое преобразование энергии, как некоторые из них происходят в естественном мире без какого-либо вмешательства человека, а другие происходят благодаря человеческой изобретательности в использовании различных видов энергии для удовлетворения конкретных потребностей. Учащиеся должны понимать, что во многих ситуациях, таких как фонари, электростанции и фонари на солнечных батареях, часто требуется несколько преобразований, необходимых для достижения желаемого выхода энергии. Студентам часто трудно понять Закон сохранения энергии: энергия не создается и не уничтожается; он просто меняет формы.В частности, студенты часто думают, что Солнце создает тепловую и световую энергию, тогда как на самом деле химическая энергия преобразуется в тепловую и световую энергию.

Классный вариант
Продвинутые или одаренные и талантливые учащиеся могут принять участие в обсуждении того, как формы энергии могут быть обозначены как потенциальные или кинетические.

Изобретение
Реальное применение преобразований энергии является темой Изобретения. Чтобы учащиеся выполнили эту задачу, им необходимо будет понять многие формы преобразования энергии.Им нужно будет иметь возможность использовать эту информацию для «преобразования» энергии, чтобы они могли опреснять воду из Мексиканского залива. Эта часть ресурса может занять неделю или больше, потому что учащиеся должны будут создать схемы, сформулировать бюджет, построить прототип, представить свою идею, настроить свою идею на основе отзывов и поделиться своими улучшениями и общими размышлениями.

закон сохранения энергии примеры

Согласно закону сохранения энергии: «Энергию нельзя ни создать, ни уничтожить.Его можно только трансформировать из одной формы в другую. Потеря одного вида энергии сопровождается равным увеличением других видов энергии. Потирая руки, мы совершаем механическую работу, при которой выделяется тепло, т. е. это пример закона сохранения энергии.
Механическая энергия = Тепловая энергия + потери
Пояснение
Кинетическая и потенциальная энергии являются разными формами одной и той же основной величины, механической энергии. Полная механическая энергия тела есть сумма кинетической энергии и потенциальной энергии.В нашем предыдущем обсуждении падающего тела потенциальная энергия может превратиться в кинетическую энергию, а потенциальная энергия превратиться в кинетическую энергию, но полная энергия остается постоянной. Математически это выражается как:

Общая энергия = P.E + K.E = константа

Это один из фундаментальных законов физики. Мы ежедневно наблюдаем множество превращений энергии из одной формы в другую. Некоторые формы, такие как электрическая и химическая энергия, переносятся легче, чем другие, например тепло.В конечном итоге все передачи энергии приводят к нагреву окружающей среды и потере энергии. Например, ФЭ падающего предмета меняется на КЭ, но при ударе о землю КЭ превращается в тепло и звук. Если при переносе энергии кажется, что часть энергии исчезла, потерянная энергия часто превращается в тепло. Похоже, это судьба всех доступных энергий, и это одна из причин, по которой необходимо разрабатывать новые источники полезной энергии.
Согласно соотношению массы и энергии Эйнштейна:
E= m c² , энергия может быть преобразована в массу, а масса может быть преобразована в энергию.Производство пар является примером преобразования энергии в массу.
С другой стороны, ядерное деление и ядерный синтез являются примерами преобразования массы в энергию.

 Формула сохранения энергии

Общая энергия = кинетическая энергия + потенциальная энергия

 уравнение сохранения энергии

Рассмотрим тело массой m, помещенное в точку p на высоте h от земли.
PE тела в точке A =mgh
KE тела в точке A =0
Полная энергия тела в точке P=K.E +PE =0 + mgh
Полная энергия при P=mgh …………(1)
Если позволить телу свободно падать под действием силы тяжести, то его потенциальная энергия будет продолжать уменьшаться, а кинетическая энергия будет продолжаться увеличение.
Непосредственно перед ударом о землю потенциальная энергия тела будет минимальной или равной нулю, в то время как КЭ тела будет максимальным. Если «v» — скорость тела непосредственно перед ударом о землю, то КЭ тела = ½mv².


Полная энергия при Q =KE + PE
=mgx + mgh – mgx
Полная энергия при Q = mgh  ————(3)
 
Из уравнений (1), (2) и (3) можно получить Видно, что полная энергия тела остается постоянной всюду, если при движении тела не действует сила трения.
Если на тело действует какая-то сила трения, то трение PE теряется при совершении работы против силы трения. Таким образом:
Полная энергия = K.E + P.E + Потеря энергии или работа, совершаемая против силы трения.

 Закон сохранения энергии пример

  • Когда мы включаем электрическую лампочку, мы подводим к ней электрическую энергию, которая преобразуется в тепловую и световую энергии, т.е.

Электрическая энергия = Тепловая энергия + Световая энергия

  • Ископаемое топливо e.g уголь и бензин являются запасами химической энергии. Когда они горят, химическая энергия превращается в тепловую энергию, т.е.

Химическая энергия = Тепловая энергия + потери

  •  Тепловая энергия парового котла может быть использована для создания парового двигателя. Здесь тепловая энергия превращается в кинетическую (механическую энергию), т.е.

Тепловая энергия = Механическая энергия + Потери
 
Связанные темы на нашем веб-сайте:

Изучение энергии: преобразование энергии — Урок

(0 оценок)

Быстрый просмотр

Уровень: 6 (6-7)

Необходимое время: 1 час

Урок Зависимость:

предметных областей: Физические науки, физика, наука и техника

Ожидаемые характеристики NGSS:


Поделиться:

Резюме

Учащиеся узнают больше о концепции преобразования энергии и о том, как энергия переходит из одной формы, места или объекта в другую.Они узнают, что передача энергии может принимать форму силы, электричества, света, тепла и звука и никогда не обходится без некоторой «потери» энергии во время процесса. Два реальных примера инженерных систем — лампочки и автомобили — рассматриваются в свете закона сохранения энергии, чтобы понять их преобразование энергии и неэффективность/потери. У студентов открываются глаза на примеры передачи энергии, происходящие вокруг них каждый день. Включает в себя две простые демонстрации для учителей с использованием теннисного мяча и шарикоподшипников.Предоставляются презентация PowerPoint® и тесты. Эта инженерная учебная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное подключение

Преобразование энергии происходит вокруг нас каждый день во многих формах, включая передачу энергии во многих инженерных системах. Инженеры регулярно рассматривают, изучают и решают вопросы передачи/преобразования энергии и эффективности/потери с каждым изобретением, устройством и дизайном технологии, которые они создают.Инженеры также постоянно работают над тем, чтобы сделать процессы передачи энергии электростанций и распределительных сетей более эффективными. В этом упражнении учащиеся рассматривают неэффективность, связанную с питанием лампочек и автомобилей, так же, как это делают инженеры, участвующие в разработке этих технологий.

Цели обучения

После этого урока учащиеся должны уметь:

  • Объясните закон сохранения энергии: энергия не может быть ни создана, ни уничтожена.
  • Определите преобразование энергии на некоторых примерах из реальной жизни.
  • Определите основные причины потери энергии.

Образовательные стандарты

Каждый урок или занятие TeachEngineering связано с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.

Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.достижениястандарты.org).

В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по сортам, и т.д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука
Ожидаемая производительность NGSS

МС-ПС3-5.Сконструируйте, используйте и представьте аргументы в поддержку утверждения о том, что при изменении кинетической энергии объекта энергия передается объекту или от него. (6-8 классы)

Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика Ключевые дисциплинарные идеи Концепции раскряжевки
Научные знания основаны на логических и концептуальных связях между фактами и объяснениями.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Когда энергия движения объекта изменяется, одновременно с этим неизбежно происходит какое-то другое изменение энергии.

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Энергия может принимать различные формы (например, энергия полей, тепловая энергия, энергия движения).

Соглашение о согласовании: Спасибо за отзыв!

Общие базовые государственные стандарты — математика
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технология
ГОСТ Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Введение/Мотивация

(Примечание: будьте готовы показать классу презентацию Power Conversion PowerPoint® и иметь под рукой несколько предметов для простых демонстраций в классе, как описано в разделе «Биография учителя».)

(Слайд 2) Давайте повторим то, что мы узнали на предыдущем уроке (Изучение энергии: кинетика и потенциал). Энергия движения называется кинетической энергией и зависит от массы и скорости объекта. Мы также обсудили, что накопленная энергия называется потенциальной энергией, и этот тип энергии может храниться разными способами. Кто может сказать мне форму запасенной энергии? (Ответы: Гравитационная, химическая, тепловая/тепловая и упругая энергия.)

(Слайд 3) Сегодня мы поговорим о передаче энергии.Энергия может переходить из одной формы в другую, из одного объекта в другой или даже из одного места в другое. Например, когда стрела выпущена, накопленная потенциальная/упругая энергия натянутого лука преобразуется в кинетическую энергию стрелы. Передача энергии также принимает различные формы. Сила, электричество, свет, тепло и звук — термины, описывающие различные виды передачи энергии.

авторское право

Copyright © (Калмакский лучник) 1876, Томас Эдвард Гордон, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/Файл:Kalmak_archer.jpg

(Слайд 4) Что происходит, когда вы бросаете баскетбольный мяч? Что вы прилагаете к мячу, чтобы придать ему энергию? Послушайте ответы учащихся. Когда вы бьете по баскетбольному мячу, вы прилагаете силу (толкаете) к мячу, чтобы придать ему больше энергии.

Какое преобразование энергии происходит при банджи-джампинге? Послушайте ответы учащихся. В банджи-джампинге потенциальная энергия гравитации преобразуется в кинетическую энергию силой тяжести, действующей на человека.Затем эта кинетическая энергия преобразуется в упругую потенциальную энергию, а затем обратно в кинетическую энергию за счет сил между движущимся человеком и эластичным тросом.

(Слайд 5) А электричество? Электричество — это способ легко передавать энергию. Как? Послушайте ответы учащихся. Его можно перенести, например, с электростанции в наши дома и школы. Как только энергия поступает в наши здания, она может быть преобразована во многие полезные формы с помощью электроприборов, таких как отжим и нагрев одежды в сушилке для белья, обеспечение света и тепла, питание компьютеров, воспроизведение фильмов и музыки и т. д.

авторское право

Copyright © (Первое изображение) 2007 Себастьян Шлютер, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Scholven_Powerplant.jpg (Второе изображение) 2005 Роберт Уэйд, Wikimedia Commons. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Electricity_Pylon-Tower_at_Norden_Bridge_-_geograph.org.uk_-_1601275.jpg (третье изображение) Светер, 2009 г., Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File: Жилые_Здания_Берген_Норвегия_2009_1.JPG

(Слайд 6) Какими еще путями может передаваться энергия? Послушайте ответы учащихся.Свет — это то, как энергия солнца передается через пространство на Землю. Звук – это передача энергии через волны давления в воздухе. Тепло – это поток тепловой энергии.

авторское право

Copyright © 2007 Майкл Мэггс, Wikimedia Commons http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Bouncing_ball_strobe_edit.jpg

Демонстрация подпрыгивания теннисного мяча : Подпрыгивание теннисного мяча на полу. Спросите студентов, какие текущие энергетические изменения происходят? (Студенты должны указать на происходящие изменения в гравитационной потенциальной энергии и кинетической энергии.) Спросите учащихся, в какой вид энергии она преобразуется? Упомяните, что каждый раз, когда он падает на пол, часть энергии преобразуется в звук и тепло (хотя увеличение тепла в теннисном мяче на самом деле не заметно). Спросите учащихся, почему каждый отскок ниже предыдущего? (Из-за того, что энергия «теряется» на звук и тепло, каждый отскок ниже предыдущего.)

(Слайд 7-9) Передача энергии очень полезна, но передача никогда не бывает идеальной. Обычно мы не можем получить 100% скорость преобразования энергии из-за потерь энергии.Когда происходит преобразование энергии, часть энергии преобразуется в бесполезную для нас форму. Имейте в виду, что энергия никогда не создается и не уничтожается; он просто меняет форму. Таким образом, термин «потеря энергии» не означает, что энергия исчезает; это просто означает, что часть энергии преобразуется в форму, которая нам не нужна и не полезна.

(дополнительно) Демонстрация шарикоподшипника: С помощью листа бумаги стукните вместе два больших стальных шарикоподшипника. Теплоты столкновения достаточно, чтобы обуглить бумагу.Предложите учащимся посмотреть и понюхать, что бумага сгорела там, где столкнулись подшипники.

Кто может заполнить пропуски внизу этого слайда (9)? (Прослушайте ответы учащихся; щелкните, чтобы появился каждый ответ.) Верно, когда энергия передается, часть энергии обычно «теряется» в виде тепла, звука и света. Теперь давайте посмотрим на некоторые способы, которыми мы используем преобразование энергии каждый день.

(Слайд 10) Преобразование энергии делает лампочки возможными. Как? Электростанция преобразует химическую энергию природного газа, угля или другого топлива в электричество.Это электричество доставляется по линиям электропередач к нашим домам и школам. Затем электричество передается на свет с помощью лампочки. Это удобный способ получения света, но, как мы уже говорили, передача энергии никогда не бывает идеальной.

(Слайд 11) Сколько энергии «теряется» при использовании лампочек? На этой диаграмме показано, сколько энергии требуется для питания 60-ваттной лампочки и как энергия «теряется» в процессе. (Проведите учащихся по диаграмме; напомните им, что «потерянный» означает переведенный в ненужную или бесполезную форму.) Менее 1% энергии, с которой мы начали, превращается в свет! (На этом этапе урока обсудите более широкие последствия преобразования энергии и энергоэффективности.) Если бы у нас была более эффективная электростанция, распределительная сеть или электрическая лампочка, мы могли бы делать больше с меньшими затратами, и нам не понадобилось бы 188 Дж энергии. для создания 900 люмен света. Новые технологии освещения уже более эффективны, чем лампы накаливания, используемые в этом примере (например, компактные люминесцентные и светодиодные лампы), и инженеры постоянно работают над тем, чтобы сделать электростанции и распределительные сети более эффективными.(При желании используйте это обсуждение, чтобы предсказать будущие уроки по энергопотреблению, энергоэффективности, загрязнению и глобальному потеплению.)

(Слайд 12) А двигатель автомобиля? Какое преобразование энергии происходит? (Послушайте ответы учащихся.) Двигатель автомобиля преобразует потенциальную энергию бензина или аккумуляторов в кинетическую энергию, или движение, поэтому мы можем путешествовать на большие расстояния.

(Слайд 13) Сколько энергии «теряется» при работе наших автомобилей? Этот график показывает, что только 17-21% энергии бензина уходит на движение автомобиля! Остальная энергия «теряется» из-за различных тепловых воздействий, трения и других факторов.(Пусть учащиеся обсудят следующий вопрос в малых группах.) Как автомобильные инженеры могут минимизировать эти потери, чтобы автомобили могли проехать дальше на галлоне бензина? Как сделать процесс передачи энергии более эффективным?

(Слайд 14) Напишите о том, что вы видели сегодня, что было бы невозможно без передачи энергии. В своем письме обязательно ответьте на вопросы, показанные на этом слайде: Что было первоначальным источником энергии? Каково было конечное использование энергии? Как передавалась энергия? Как «потерялась» энергия?

Оценка

Оценка перед уроком

Обзор концепции: Используйте четыре вопроса на слайде 2 презентации «Преобразование энергии», чтобы повторить всем классом концепции, изученные на предыдущем уроке: кинетическая энергия (движение) зависит от массы и скорости объекта; накопленная энергия называется потенциальной энергией и имеет множество форм, таких как гравитационная, химическая, тепловая/тепловая и упругая энергия.

Оценка после внедрения

Вопросы для обсуждения: Используйте обсуждения в классе и письменные задания учащихся для оценки знаний учащихся. На протяжении всей презентации много возможностей для быстрой оценки.

Неофициальные викторины: Вставляйте викторины и ответы по энергии на протяжении всего урока, чтобы оценить понимание учащимися.

Оценка итогов урока

Письмо: Чтобы оценить результаты этого урока, попросите учащихся пообщаться, используя понятия энергии, которые они изучили.Используйте подсказку на слайде 14: Напишите о том, что вы видели сегодня, что было бы невозможно без передачи энергии. Включите свои наблюдения по [пяти вопросам, приведенным на слайде]. В качестве альтернативы попросите учащихся объяснить видео о взрывающемся водонагревателе (или другую демонстрацию) в начале первого урока этого устройства, объяснив его более подробно, чем они сделали после первого урока. Посмотрите четырехминутное видео MythBusters-Exploding Water Heater на https://www.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

2015-2019 © Игровая комната «Волшебный лес», Челябинск
тел.:+7 351 724-05-51, +7 351 777-22-55 игровая комната челябинск, праздник детям челябинск