Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Ранее мы уже рассматривали возможность превращения одного вида механической энергии в другой, например, потенциальной в кинетическую или, наоборот, кинетической в потенциальную. Также мы приводили пример периодического превращения потенциальной и кинетической энергии друг в друга.

 

Пример 1. Переход потенциальной энергии в кинетическую

Этот пример мы уже рассматривали в курсе 7 класса и в начале изучения этого раздела. Если представить себе тело, закрепленное на некоторой высоте, то оно имеет некую потенциальную энергию относительно уровня поверхности. Потом, если это тело отпустить, то оно начнет падать, т. е. его высота будет уменьшаться, и ускоряться, т. е. увеличивать свою скорость. Следовательно, его потенциальная энергия будет уменьшаться, а кинетическая – увеличиваться (рис. 1), энергии будут превращаться друг в друга. В момент перед самым соприкосновением с землей вся потенциальная энергия тела переходит в кинетическую.

Рис. 1. Превращение потенциальной энергии в кинетическую

Пример 2. Периодические превращения типов механической энергии (маятники). Рассмотрим по очереди три вида маятников: математический, пружинный, маятник Максвелла.

1. Маятник Максвелла – представляет собой диск, закрепленный на оси, на которую наматываются две нити (рис. 2).

Рис. 2. Маятник Максвелла

Принцип работы этого маятника следующий: сначала нити наматываются на ось, тем самым поднимая маятник вверх и сообщая ему дополнительную потенциальную энергию, затем диск маятника отпускают и он начинает, раскручиваясь, двигаться вниз, нить разматывается до конца, затем наматывается снова по инерции и т. д.

Таким образом, можно наблюдать следующие преобразования механической энергии: начальное накопление потенциальной энергии – превращение ее в кинетическую энергию – превращение в потенциальную и т. д. (рис. 3).

Рис. 3. Переход потенциальной энергии маятника в кинетическую и наоборот

2. Математический маятник (груз на нити) – материальная точка, совершающая колебания под действием силы тяжести на длинной нерастяжимой нити (рис. 4).

Рис. 4. Математический маятник

Для начала колебательного процесса в этом маятнике нужно отвести тело, подвешенное на нити, от положения равновесия (придаем ему потенциальную энергию) и отпустить. После этого будут наблюдаться горизонтальные колебания в вертикальной плоскости и мы можем видеть похожие на предыдущий пример превращения энергии: подъем – переход кинетической энергии в потенциальную, опускание – переход потенциальной в кинетическую и т. д.

3. Пружинный маятник – груз, совершающий колебания на пружине под действием силы упругости (рис. 5).

Рис. 5. Пружинный маятник

Если подвесить груз к пружине и оттянуть ее вниз (придать пружине потенциальную энергию), а затем отпустить, то будут наблюдаться более сложные превращения энергии: потенциальная энергия пружины будет переходить в кинетическую и потенциальную энергию груза и наоборот.

Все приведенные примеры экспериментов говорят о том, что мы уже знаем: полная механическая энергия тела (сумма кинетической и потенциальной) не меняется или, как говорят по-другому, сохраняется. Это мы называем законом сохранения механической энергии:

Замечание. Важно помнить, что этот закон выполнен только для замкнутой системы тел.

Определение. Замкнутая система тел – это та система, в которой не действуют внешние силы.

Пример 3. Теперь перейдем к основной части нашей сегодняшней темы и вспомним, каким образом механическая энергия может переходить во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом, например, при сгибании и разгибании проволоки она будет нагреваться, при нескольких ударах молотка о наковальню нагреется и молоток, и наковальня.

Пример 4. Возможен и обратный процесс, когда внутренняя энергия будет переходить в механическую. Например, подобные процессы происходят в двигателе внутреннего сгорания (рис. 6). Принцип работы двигателя внутреннего сгорания основан на преобразовании энергии сгорания топлива в механическую энергию движения поршней, которая затем через передаточные механизмы преобразуется в энергию вращения колес автомобиля.

 

 

Рис. 6. Двигатель внутреннего сгорания

Аналогичный принцип превращения внутренней энергии в механическую происходит и в паровых двигателях (рис. 7).

 

Рис. 7. Паровой двигатель на паровой машине (Источник)

Вопросами преобразований механической и внутренней энергий очень активно занимались в XIX веке. Основные исследования были проведены следующими учеными.

Немецкий ученый Юлиус Майер (рис. 8) показал в своих экспериментах, что возможны взаимные превращения внутренней и механической энергий и что изменения внутренней энергии в таких процессах эквивалентно совершенной работе.

Рис. 8. Юлиус Майер (1814-1878) (Источник)

Отдельный интерес составляет работа английского ученого Джеймса Джоуля (рис. 9), который с помощью ряда экспериментов получил доказательство того, что между совершенной над телом работой и его изменением внутренней энергии существует точное равенство.

Рис. 9. Джеймс Джоуль (1819-1889) (Источник)

Особый интерес представляет тот факт, что 1843 году французский инженер Густав Гирн (рис. 10) с помощью серии своих экспериментов попытался развенчать то, что доказывали Майер и Джоуль, но результаты его экспериментов только еще раз доказали соответствие в превращениях механической энергии во внутреннюю.

Рис. 10. Густав Гирн (Источник)

Для возможности корректного описания процессов теплообмена важно, чтобы система, в которой они происходят, была теплоизолированной и внешние теплообменные процессы не влияли на тела, находящиеся в рассматриваемой системе (рис. 11).

Рис. 11. Замкнутая система

В таком случае выполнен закон сохранения энергии: если система является замкнутой и теплоизолированной, то энергия в этой системе остается неизменной.

Замечание. Данный закон еще очень часто именуют основным законом природы.

Сегодня мы поговорили о взаимных превращениях различных типов механической энергии друг в друга: механической в тепловую, тепловой в механическую. Кроме того, мы рассмотрели важнейший закон физики – закон сохранения энергии.

На следующем уроке мы изучим уравнение теплового баланса.

 

Список литературы

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. Физика 8. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «sch219comp2.narod.ru» (Источник)
2. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)
3. Интернет-портал «youtube.com» (Источник)

 

Домашнее задание

1. Стр. 29: вопросы № 1-5; упражнения № 1–4. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа. 2010.
2. Двигатель мощностью 25 Вт в течение 7 мин заставляет вращаться лопасти винта внутри заполненного водой калориметра. За счет сопротивления вода нагревается на . Сколько воды находится в калориметре?
3. С высоты 14 м на песок падает свинцовый шар. На сколько градусов нагреется шар, если 50 % его потенциальной энергии перейдет во внутреннюю?
4. *Реактивный самолет имеет четыре двигателя, развивающих силу тяги 20 000 Н каждый. Сколько керосина израсходуют двигатели на перелет 5000 км? Удельная теплота сгорания керосина , КПД двигателя 25 %.

interneturok.ru

Конспект урока по физике на тему «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах» (8 класс)

Тема: Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Цель: сформировать знания о законе сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Задачи:

— развивать интеллектуальные способности учащихся в процессе решения задач;

— воспитать убежденность в познаваемости окружающего мира, уважение к ученым, внесшим большой вклад в изучении закона сохранения энергии.

должен знать:

-закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах;

должен уметь:

-объяснять физические явления на основе закона сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Тип и продолжительность урока: комбинированный урок, 45 минут.

Структура урока:

1. Организация начала занятия.

2. Актуализация опорных знаний.

3. Изучение нового материала.

4. Решение задач.

5. Итог урока и информация о домашнем задании.

Оборудование урока: компьютер с мультимедийным проектором, математический маятник, пружинный маятник, раздаточный материал с разноуровневыми заданиями.

Презентация к уроку.

Ход урока

1. Организационный этап.

2. Повторение и актуализации знаний.

Учитель объявляет тему и цель урока с помощью учащихся. Учащиеся в рабочих тетрадях записывают дату и тему урока.

Актуальность: Закон сохранения энергии – это основной закон природы и представляет научную основу для расчетов во всех областях науки и техники. Без этого закона невозможно исследовать явления природы.

Проблема: Какова взаимосвязь между механической и внутренней энергией тела? Для достижения цели урока вспомним ранее изученный материал.

1. Какие виды механической энергии вы знаете?

2. От каких величин зависит кинетическая энергия?

3. От каких величин зависит потенциальная энергия?

4. Установите соответствие между физическими величинами и процессами.

5. Выполните самопроверку и выставьте балл.

3. Изучение нового материала.

1.Превращение механической энергии.

Посмотрите на приборы на столе. Как они называются?

С помощью маятников можно посмотреть превращение механической энергии из одного вида в другой. Пронаблюдаем опыт с маятником Максвелла.

Вопросы для обсуждения:

1.Какие превращения энергии вы наблюдали?

2. Составьте цепочку превращений энергий

Записали закон сохранения механической энергии.

2. Превращение механической энергии во внутреннюю энергию тела.

Примеры: при ударе молотка по заготовке, сгибание разгибание проволоки.

3. Превращение внутренней энергии в механическую энергию тела.

Примеры: пробка вылетает при нагревании пробирки, двигатель внутреннего сгорания, паровая машина.

4. Закон сохранения и превращения энергии- основной закон природы.

Записывают формулировку закона.

Физпауза

1. Аккуратно положите свои инструменты, ручку.

2. Закройте глаза, очень сильно зажмурьтесь, откройте глаза. Проделайте это упражнение сами 6 раз.

3. Голову держите прямо, глаза подняли вверх, опустили вниз, посмотрели влево, посмотрели вправо (выполнить 6 раз).

4. Голову откиньте назад, опустите вперёд так, чтобы подбородок упёрся в грудь ( проделать 6 раз).

Примеры превращений энергий в окружающем мире.

Изучением превращений энергий в 19 веке занимались очень многие ученые. Немецкий ученый Юлиус Майер показал, что механическая энергия может превращаться во внутреннюю энергию, и, наоборот. Механическая работа равна изменению внутренней энергии тела. Особый интерес вызывает исследование английского ученого Джеймса Джоуля. В 1842 году по истечении 10 лет экспериментов, приходит к выводу, что происходит полное соответствие между механической работой и внутренней энергией тела. В 1843 года французский исследователь Густав Гирн решил развенчать исследования Джоуля и Майера, но получил доказательство того, что механическая энергия превращается во внутреннюю энергию тела.

4. Закрепление нового материала.

Упр.6(3,4).

Учащиеся самостоятельно решают задачи в тетрадях.

5. Итоги урока.

Что нового узнали на уроке?

Что нужно запомнить?

Для чего нужно знать закон сохранения и превращения энергии?

6. Информация о домашнем задании.

1. § 11прочитать и ответить на вопросы устно.

2. Карточки с задачами.

infourok.ru

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

На одном из первых уроков мы уже затрагивали явления превращения одной формы энергии в другую. Давайте вспомним некоторые из них.

В примере с мячом мы выясняли, что при его падении потенциальная энергия превращалась в кинетическую и наоборот.

Мы говорили и о том, что полная механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий. Если поверхность Земли взять за нулевую высоту, то полная механическая энергия будет оставаться постоянной в каждый момент времени. Это есть закон сохранения механической энергии. Но данный закон справедлив только при отсутствии сил сопротивления, таких, как сила трения, например.

Также, мы уже знаем, что остывающее тело отдаёт ровно столько энергии, сколько получает нагревающееся тело, с которым оно взаимодействует.

Теперь мы уже знаем, что энергия не просто превращается, но и сохраняется, какие бы процессы ни происходили.

Для примера, рассмотрим лыжника, который скатывается с вершины холма.

В начале своего движения он обладал потенциальной энергией, так как находился на определённой высоте от поверхности земли. Под действием силы притяжения, он съезжает с холма, набрав при этом некоторую скорость. В результате, часть потенциальной энергии превратилась в кинетическую энергию. Также, каким бы скользким ни был снег, присутствие силы трения неизбежно. В результате часть энергии передастся лыжам, а часть — снегу, с которым был непосредственный контакт.

Кроме того, существует сила сопротивления воздуха, которая также способствует потерям энергии.

Другой пример сохранения энергии — это кипячение воды на костре. Значительная часть тепловой энергии костра передаётся окружающей среде посредством излучения.

Также, люди, находящиеся рядом с костром, греются, то есть поглощают энергию. Часть энергии передаётся котлу и воде, которая нагревается. Часть воды превращается в пар, и в результате конвекции энергия переносится в верхние слои воздуха. И так далее.

Взятие во внимание всех подобных факторов приведёт к очень сложным расчётам.

Однако, если эти расчёты будут выполнены достаточно щепетильно, то мы получим знак точного равенства между суммами начальной и конечной энергий.

Изучение многих явлений превращения одного вида энергии в другой привело учёных к открытию одного из главных законов природы — закона сохранения и превращения энергии. Согласно ему, во всех явлениях, которые протекают в природе, энергия не возникает из ничего, и никуда не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой так, что её значение при этом сохраняется.

Для иллюстрации данного закона природы, рассмотрим превращение энергии, которую приносят нам солнечные лучи.

Все с детства знают, что Солнце является важнейшим источником света и тепла для нашей планеты. Без солнечной энергии, не было бы жизни на Земле. И люди, и животные, и растения — все нуждаются в солнечной энергии.

Большой непрерывный круговорот воды в природе тоже совершается за счёт энергии Солнца. Вода, с поверхности мирового океана, испаряется. Образовавшийся пар в результате конвекции переносится в верхние слои воздуха, где остывая, превращается в облака. Образовавшиеся облака, гонимые потоками ветра, разносятся в различные места на планете и, в конце концов, выпадают в виде дождя или снега. Эти осадки питают реки, которые снова несут свои воды в моря и океаны.

А в растениях, при поглощении ими солнечной энергии, происходят сложные химические реакции, в результате которых растения способны вырабатывать кислород, которым мы с вами дышим.

Мы воспринимаем с вами солнечный свет и тепло как что-то должное и редко задумываемся о том, сколько энергии передаётся нам от Солнца. А её оказывается очень много. Учёные подсчитали, что для замены Солнца человечеству бы понадобилось строительство около 30 000 000 мощных электрических станций.

Конечно же мы пытаемся использовать энергию Солнца в своих целях. Но чтобы детально рассмотреть вопросы, связанные с использованием солнечной энергии, вам предстоит ещё многое чего изучить. Поэтому, эту часть урока мы будем считать ознакомительной.

Итак, давайте познакомимся с некоторыми общеизвестными фактами. Существует так называемая солнечная постоянная — это интенсивность солнечного излучения, которая определяется мощностью излучаемой энергии на квадратный метр:

.

Так за 1 с, через площадь в 1 м² проходит 1367 Дж солнечной энергии. Часть этой энергии поглощается частицами, находящимися в атмосфере, а часть — отражается и уходит обратно в космическое пространство. Помимо этого, интенсивность излучения в тех или иных областях Земли будет зависеть от погоды, от времени суток и от некоторых других факторов. Так что, средняя интенсивность солнечного излучения составляет примерно 34 Вт/м². От этого значения мы и будем отталкиваться.

Давайте посчитаем количество солнечной энергии, которую может собрать солнечная батарея размерами 5 м х 8 м. Значение этой энергии можно найти:

 Предположим, что средняя продолжительность светового дня на нашей планете равна 8 ч. Тогда батарея за это время получит:

Для сравнения при сгорании 1 л бензина выделяется:

Дальше предположим, что при преобразовании солнечной энергии в электрическую теряется порядка 90% энергии из-за несовершенства конструкций солнечных батарей:

Но даже при этом, энергии, полученной от солнца за световой день, хватит на работу 3 стоваттных лампочек в течение почти четырёх часов.

Конечно, вы можете сказать, что 1 л бензина стоит значительно дешевле, чем изготовление солнечной батареи, да и работа трёх лампочек — это не очень-то и впечатляющий показатель. Но, ведь, мы сейчас рассмотрели использование только одной батареи. А давайте посчитаем, сколько мы можем получить энергии, если поставим солнечные батареи на крышу дома, площадь которой порядка двухсот квадратных метров:

Смотрите, получается почти 200 МДж энергии. Даже, если мы опять предположим, что эффективность солнечных батарей равна 10%:

Этой энергии хватит на то чтобы постирать белье в стиральной машине, посмотреть фильм по телевизору и обеспечить работу компьютера более чем на сутки.

Можно привести много примеров, но мы приведём только один. Германия, будучи далеко не самой солнечной страной мира, за май 2014 г. используя солнечные батареи выработала около 5 ТВт-ч электроэнергии. Для сравнения, такое количество электроэнергии потребляет целый район многоквартирных домов за 10 лет.

А теперь, давайте рассмотрим, какие есть недостатки и достоинства использования солнечной энергии. Очевидное и важнейшее достоинство солнечной энергии — это то, что для нас Солнце является неисчерпаемым источником энергии. Что бы ни случилось, Солнце светит каждый день, и каждый день мы можем получать от него энергию.

Второе очень важное достоинство этого источника — это общедоступность. Ведь Солнце светит везде и всюду, поэтому, любой человек может использовать эту энергию. В отличие от нефти, газа, каменного угля и других ископаемых, солнечную энергию добывать не нужно.

Ну и, конечно, нельзя не упомянуть о том, что использование солнечной энергии никак не загрязняет окружающую среду. Сегодня проблема экологии стоит довольно остро, поэтому именно сегодня нам стоит задуматься о природных источниках энергии.

Но, в использовании солнечной энергии есть определённые сложности. Во-первых, такой источник всегда зависит от погоды и от времени суток. Во-вторых, сама солнечная батарея — это довольно дорогая конструкция из-за применения в её конструкции редкоземельных металлов, таких, как, например, индий или теллур.

Однако использование альтернативных источников энергии рано или поздно придётся внедрить, поскольку на данный момент, человечество живёт за счёт использования ресурсов планеты, которые, увы, не вечны.

videouroki.net

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах»

Урок №12

Тема: Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Цель: изучение закона сохранения и превращения энергии

Задачи:

1. Продолжить развитие мышления учащихся, формирование у них умения наблюдать и объяснять природные явления с физической точки зрения

2. Продолжить формирование навыков решения задач по физике, а именно на применение закона сохранения и превращения энергии

3. Продолжить формирование овладения учащимися физическими терминами при формулировке ответов и решении качественных задач физики по изучаемой теме

Ход урока

1. Орг. Момент

2. Повторение изученного материала (проверка д/з)

• Что такое удельная теплота сгорания топлива?

• Как обозначают и в каких единицах измеряют удельную теплоту сгорания топлива?

• Что означает выражение «удельная теплота сгорания топлива 1,2*10⁷ Дж/кг»?

• Как вычислить количество теплоты, выделяемого при сгорании топлива? (формула)

Разделить учащихся на 4 варианта, раздать карточки с задачами на 5 минут.

3. Объяснение нового материала (беседа)

Вспомним что такое кинетическая энергия (энергия движения Е=mv²/2), что такое потенциальная энергия (энергия взаимодействия) и как рассчитать потенциальную энергию тела поднятого над Землей (E=vgh).

Рассмотреть превращение энергии при подбрасывании мяча, мы сообщаем ему энергию движения – кинетическую энергию

Мо мере движения мяча вверх его скорость уменьшается, а вместе с ней уменьшается кинетическая энергия. Вместе с тем увеличивается потенциальная энергия за счет увеличения высоты h.

В некоторой точке мяч останавливается, т.е. его кинетическая энергия в этой точке равна нулю, а потенциальная энергия максимальна. Таким образом, движение мяча вверх сопровождается превращением кинетической энергии в потенциальную. При движении тела вниз происходит обратный процесс. Потенциальная энергия превращается в кинетическую.

При этих превращениях полная механическая энергия, т.е. сумма потенциальной и кинетической энергии, остается неизменной. E=E_п+Е_к Если мы считаем потенциальную энергию у поверхности Земли равной нулю и пренебрегаем силами трения и сопротивления среды

В этом и заключается закон сохранения полной механической энергии. Однако мы знаем что кроме механической энергии существует внутренняя энергия (суммарная кинетическая и потенциальная энергия молекул тела). Если вернуться к примеру и рассмотреть что происходит дальше, мяч упал, потенциальная энергия и кинетическая равны нулю.

Это вовсе не означает, что энергия исчезла, но куда же она делась?

Демонстрация: в стакан наливаем горячую воду через некоторое время вода остывает, сл-но внутренняя энергия воды уменьшилась, однако вместе с остыванием воды происходит нагревание стакана, сл-но его внутренняя энергия увеличилась.

Вопросы:

1. Почему уменьшилась внутренняя энергия воды, куда она исчезла?

2. За счет чего увеличилась внутренняя энергия стакана?

3. Куда еще могла перейти внутренняя энергия горячей воды?

Изучение явлений превращений одного вида энергии в другой привело к открытию одного из основных законов природы – закона сохранения и превращения энергии. (стр 28 учебника).

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

Просмотрите §11

4. Закрепление нового материала

Если у учащихся нет вопросов, перейти к фронтальному опросу стр 29 вопросы и упр 6.

5. Подведение итогов урока

Сегодня мы с вами вспомнили, что такое механическая энергия, закон сохранения механической энергии и познакомились с одним из фундаментальных законов природы – закон сохранения и превращения энергии: Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

Выставление отметок.

Д/з выучить закон, читать §11 и задача №1054 из сборника задач Лукашика В.И.

infourok.ru

План урока «Закон сохранения и превращения энергии»

Физика 8 класс

Тема. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

Цель: сформировать знания об эквивалентности работы и количества теплоты.

Задачи:

Образовательная: дать понятие о законе сохранения энергии.

Развивающая: развивать умения и навыки решения задач.

Воспитательная: воспитывать познавательный интерес.

Оборудование: закон сохранения энергии – схема.

Тип урока: комбинированный.

Формы и методы: личностно-ориентированный подход.

Ход урока:

I.Орг. момент.

II. Проверка знаний.

1.… называется физическая величина, численно равная количеству теплоты Q, которое необходимо сообщить телу для нагревания его на один градус.

(теплоёмкостью)

2.… называется теплоёмкость единицы массы одного вещества.

(удельной теплоёмкостью с)

3.Как рассчитать теплоёмкость тела?

()

4.Как рассчитать удельную теплоёмкость тела?

()

5.От чего зависит теплоёмкость тела?

(массы, химического состояния тела и вида того процесса, в котором телу передаётся энергия в форме теплоты)

III.Новая тема.

Многочисленные опыты показывают, что нагреть тело можно без сообщения ему количества теплоты, а совершив над ним работу.

Пример. Соскальзывая по канату, мы “обжигаемся”. При трении ладоней друг о друга чувствуем, как они нагреваются. Свёрла во время работы дрели или сверлильных станков нагреваются из-за трения, то же самое происходит и с резцом токарного станка и т.д.

Первым такое явление наблюдал в 1798г. английский физик Б.Румфорд, который заметил, что при сверлении пушечного ствола, производимого с помощью лошадей, вращавших большое сверло, ствол сильно нагревался.

Он предложил, что ствол нагревается в процессе совершаемой при сверлении работы.

Затем в 1799г. английский физик Г.Деви осуществил интересный опыт: два куска льда при трении один о другой начали таять и превратились в воду.

Причем сначала опыт был проведён на воздухе, а затем в вакууме, где теплота к кускам льда не могла подводиться.

В середине XIXв. Английский учёный Джоуль решил исследовать связь между теплотой и энергией всех видов и попытался установить количественное соотношение между теплотой и механической энергией. Для этого он провёл огромное количество экспериментов.

Опыт Джоуля. В калориметре находилась ртутью. При опускании грузов лопасти приходили во вращение и жидкость нагревалась.

В начале и конце опыта грузы, лопасти и ртуть находились в покое, так что их кинетическая энергия за время опыта не менялась.

Зная работу, совершённую грузами при их движении (её он определил через изменение потенциальной энергии грузов) и измеряя увеличение температуры при трении лопастей о ртуть, джоуль установил, что при совершении работы 4,2Дж происходит такое же повышение температуры, как и при сообщении телу количества теплоты в 1кал.

Величина 4,2Дж/кал получила название механический эквивалент теплоты.

Он представляет собой переводной множитель из тепловых единиц в механические.

Эти эксперименты ясно показывали, что в основе природы теплоты лежит движение, и что теплота может быть получена путём совершения механической работы.

Теория теплорода результаты этих опытов объяснить не смогла.

Следовательно, любое изменение внутренней энергии тела возможно при совершении им самим или над ним работы, или при сообщении телу количества теплоты.

Немецкий врач Р.Майер в 1843г. заметил, что совершение человеком большой физической работы сопровождается появлением в крови продуктов сгорания.

В это же время Ленц и Джоуль нашли связь между количеством теплоты и электрической энергией.

В середине XIXв. Появилось огромное количество опытных фактов, говорящих о взаимных превращениях различных форм энергии.

Р.Майер впервые объединил эти отдельные многочисленные, но разнообразные факты и нарисовал общую картину взаимного превращения различных форм энергии.

Он считал, что всё в мире связано взаимным превращением энергии.

Другой немецкий учёный Г.Гельмгольц изучал энергетические превращения наиболее полно и с количественной стороны.

Гельмгольц первый показал, что закон сохранения и превращения энергии является универсальным.

Закон сохранения и превращения энергии можно считать установленным окончательно в середине XIXв. После работ немецкого учёного Р.Майера, английского физика Д.Джоуля, немецкого физика Г.Гельмгольца.

Закон сохранения и превращения энергии: Энергия в природе не возникает из ничего и никуда не исчезает; она только переходит из одной формы в другую, от одного тела к другому, а полная энергия в замкнутой системе тел остаётся величиной неизменной.

Поэтому первый закон термодинамики является законом сохранения и превращения энергии для тепловых процессов.

Первый закон термодинамики имеет несколько формулировок.

Первая формулировка.

Количество теплоты сообщаемое системе равно сумме приращения внутренней энергии и работы производимой системой против внешних сил.

Вторая формулировка.

Невозможно построить вечный двигатель первого рода.

Третья формулировка.

Невозможен процесс единственным результатом, которого является производство работы без каких-либо изменений в окружающих телах.

Математически закон сохранения и превращения энергии для тепловых процессов записывается: .

IV.Закрепление нового материала.

1.Какая величина получила название механического эквивалента теплоты?

(величина 4,2Дж/кал)

2.Для чего Джоуль проводил многочисленные опыты?

(для установления связи между теплотой и энергией, и количественного соотношения)

3.Как записывается закон сохранения и превращения энергии для тепловых процессов?

()

V. Итог урока.

Домашнее задание: §

Обобщение, оценки.

multiurok.ru

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Немного ранее мы уже рассматривали некоторые явления превращения энергии в механических процессах. Освежим наши знания. Подбрасывая в небо какой-либо предмет (камень или мяч), мы сообщаем ему энергию движения, или другими словами кинетическую энергию. Поднявшись до определенного уровня высоты, движение предмета замедляется, после чего происходит падение. В момент остановки, (когда движение предмета прекратилось в верхней точке) вся кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию.

Во время подобных превращений сумма кинетической и потенциальной энергии остается неизменяемой. Если принять, что потенциальная энергия возле поверхности Земли равняется нулю, сумма кинетической энергии, вместе с потенциальной энергией тела на абсолютно любой высоте во время подъема или падения будет равна: E = E_k + E_n

Делаем вывод: общая сумма потенциальной и кинетической энергии тела остается неизменной, если действуют только силы упругости и тяготения, а сила трения отсутствует. Это и есть закон сохранения механической энергии.

Когда мы проводили эксперимент с падением свинцового шара на плиту, мы наблюдали, как механическая энергия превращалась во внутреннюю энергию. Таким образом, такие виды энергии как механическая и внутренняя, могут переходить из одного тела в другое.

Подобный вывод относится ко всем тепловым процессам. Во время теплопередачи, к примеру, тело которое нагрето сильнее, отдает энергию, в то же время когда менее нагретое тело ее только получает.

Во время процесса переработки двигателем машины топлива, внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию движения. Когда энергия переходит из одного тела в другое, или когда один вид энергии превращается в другой, энергия всегда сохраняется.

Изучение явлений, которые относятся к превращениям одного вида энергии в абсолютно другой, привело к открытию одного из главных законов природы – закона сохранения и превращения энергии.

В любом природном явлении, энергия не может возникнуть или исчезнуть просто так. Она просто переходит из одного вида в другой, при этом ее значение всегда сохраняется.

Когда ученые исследовали различные природные явления, они всегда опирались на этот закон. Теперь, мы можем сделать важный вывод: энергия не может возникнуть у тела, если оно не получила ее от какого-нибудь другого тела. Приведем несколько примеров для лучшего уяснения материала.

Лучи Солнца содержат в себе определенный запас энергии. Касаясь поверхности Земли, они отдают ей тепло, нагревают ее. Таким образом, солнечная энергия преобразуется во внутреннюю энергию почвы и тел, которые находятся на поверхности земли. Воздух, который нагрелся от поверхности земли, приходит в движение – так рождается ветер. Начинается преобразование внутренней энергии, которой наделены воздушные массы, в механическую энергию.

Некоторая часть солнечной энергии поглощается листьями растений. Начинают происходить сложные химические реакции (фотосинтез) в результате которых образуются органические соединения, т.е. солнечная энергия превращается в химическую энергию.

Переход внутриатомной энергии в разные виды энергии часто используется на практике. Закон сохранения энергии является научной основой для различного рода расчетов в абсолютно всех областях науки и техники. Необходимо понимать, что внутреннюю энергию невозможно полностью преобразовать в механическую.

История насчитывает огромное число проектов «вечного двигателя». В некоторых случаях ошибки «изобретателя» были очевидны, в других эти ошибки были спрятаны за сложной конструкцией прибора. Неудачные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и сегодня. Все они обречены на неудачу, потому что закон сохранения и превращения энергии отрицает получение работы без затраты энергии.

Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru, при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

blog.tutoronline.ru

Урок «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах»

Цели урока:

1. дидактическая (образовательная)

• обеспечить в ходе урока закрепление ранее изученных видов энергии: кинетической, потенциальной, внутренней.
• выяснить физическое содержание закона сохранения энергии в механических и тепловых процессах.

2. воспитательная

• при рассмотрении конкретных примеров превращения одного вида энергии в другой продолжить формирование мировоззрения учащихся, указать познаваемость мира и его закономерности.
• в процессе работы на уроке развивать чувство коллективизма, ответственности и навыки самостоятельного труда.

3. развивающая

• в целях развития мышления учащихся научить выделять главное в тексте, сравнивать и выявлять общее и отличительное в изучаемых явлениях. – в целях развития познавательного интереса привести интересные исторические справки об учёных открывших закон сохранения и превращения энергии. – развитие самостоятельности, усидчивости и трудолюбия.

Тип урока: комбинированный.

Девиз урока: получить нечто из ничего!

Методы обучения: словесный, наглядный, репродуктивный, поисковый.

Содержание урока: тема урока не сообщается, учитель задаёт вопрос: “Что такое perpetuum mobile?”… Давайте разберёмся вместе.

1. Проверка знаний по пройденному материалу (фронтальный опрос) :
Работа двигателей подразумевает использование топлива.

– напишите формулу горения топлива;

– как вычисляют количество теплоты, выделяемое при сгорании топлива?

– что такое удельная теплота сгорания топлива?

– по таблице 2 (стр. 26) назовите более экономичные виды топлива, более экологически чистые.

Энергия топлива превращается в механическую энергию, т.о. речь сегодня на уроке пойдёт о превращениях одного вида энергии в другой.

2. Совместное составление обобщающей схемы:

превращения энергии в механических и тепловых процессах.

в механических процессах Опыт с маятником Максвелла Екин –– Епот –– Екин…, но Е = Екин + Епот = const (если действуют Fупр и Fтяг) пример: полёт мяча Вывод: кинетическая и потенциальная энергии преврящаются друг в друга.

в тепловых процессах 1. из пар.2 (падение свинцового шара на свинцовую плиту) Екин –– Епот 2. теплообмен (горячее тело отдаёт Q, а холодное получает) Q1 = Q2—условие теплообмена 3. тепловые двигатели: Евнутр –– Емех Вывод: механическая и внутренняя энергии превращаются друг в друга.

Закон сохранения и превращения энергии

Во всех явлениях природы, энергия не возникает и не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой, при этом её значение сохраняется.

(Деятельность учащихся при заполнении схемы: повторение пройденного материала, проговаривание выводов, рассмотрение примеров)

3. Историческая справка: (сообщение учащегося)

закон сохранения энергии был открыт в середине 19 века немецким учёным Р.Майером, английским учёным Д.Джоулем и получил наиболее точную формулировку в трудах немецкого учёного Г.Гельмгольца. Джоуль первым осуществил точные измерения механического эквивалента теплоты. Опыты Джоуля доказали, что механическая энергия не пропадает бесследно. Опускаются гири, вращающие лопасти в сосуде с ртутью, и температура ртути повышается на строго определённое число градусов. Во время пребывания в тропиках в качестве судового врача Майер при эпидемии легочных заболеваний лечил моряков обычным в то время методом: обильным кровопусканием из вены руки. Он обратил внимание на то, что цвет венозной крови значительно светлее, чем при плавании в северных широтах. Её можно спутать с артериальной. Между разностью температур тела и окружающей средой и степенью окисления крови существовала очевидная связь. Отсюда Майер сделал вывод о связи между потреблением пищи и образованием теплоты в организме. Гельмгольц впервые математически обосновал закон сохранения энергии. Проанализировав большинство известных в то время физических явлений, он показал его всеобщность.

4. Самостоятельная работа по учебнику.

Исследуя явления природы, учёные всегда руководствуются этим законом. Теперь мы можем сказать, что энергия не может появиться у тела, если оно не получило её от другого тела. В пар. 11 найдите несколько примеров иллюстрации этого закона (в какие виды энергии превращается энергия солнечных лучей?)

5. Закрепление.

а) работа в группах. Задание: опишите превращение энергии по рисункам. (см. приложения)

б) работа у доски. Задание: по составленной схеме опишите превращение энергии в механических и тепловых процессах.

в) вопросы классу: можно ли создать вечный двигатель? можно ли получить нечто из ничего?

6.Домашнее задание.

Пар. 11; Упр. 6; по желанию индивидуальные карточки с уровневыми задачами.

7. Итоги урока.

Выводы о проделанной работе, оценки учеников, краткая перспектива на следующий урок.

urok.1sept.ru