Физика · конспекты
★0
Физика › 8 класс › Тепловые явления

Тема 14Закон сохранения энергии

★★★
Термины темы — найди их в тексте:Изолированная системамеханическая энергияПолная энергиявечный двигатель невозможен

В механике энергия может переходить из одного вида в другой: падающий мяч теряет потенциальную энергию и набирает кинетическую, сжатая пружина распрямляется и разгоняет груз.

При падении потенциальная энергия переходит в кинетическуюПри падении потенциальная энергия переходит в кинетическую
При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую Иллюстрация: light-fizika.ru
Закон сохранения механической энергии

Если тела взаимодействуют только друг с другом и нет трения, их механическая энергия (сумма кинетической и потенциальной) не меняется:

Eп+Eк=constE_\text{п}+E_\text{к}=\text{const}
«Колыбель Ньютона» и груз на пружине: энергия переходит из одного вида в другой«Колыбель Ньютона» и груз на пружине: энергия переходит из одного вида в другой
«Колыбель Ньютона» и груз на пружине: энергия переходит из одного вида в другой Иллюстрация: light-fizika.ru

А если есть трение?

В жизни трение есть всегда, и механическая энергия постепенно уменьшается: маятник останавливается, санки замирают у подножия горки. Но энергия не исчезает — на столько же увеличивается внутренняя энергия тел: они немного нагреваются.

Определение

Полная энергия системы тел — сумма механической энергии (кинетической и потенциальной) и внутренней энергии. Изолированная система — система тел, на которую не действуют внешние тела и которая не обменивается с ними теплотой.

Полную энергию можно изменить только снаружи — совершив над системой работу AA или передав ей количество теплоты QQ:

ΔE=A+Q\Delta E=A+Q

В изолированной системе A=0A=0 и Q=0Q=0, поэтому полная энергия не меняется. Механическая может переходить во внутреннюю, но сколько ушло из одной, столько пришло в другую.

Закон сохранения энергии

Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она лишь переходит от одного тела к другому и превращается из одного вида в другой.

Закон открыли в XIX веке, независимо друг от друга, немецкий врач Роберт Майер, английский физик Джеймс Джоуль и немецкий учёный Герман Гельмгольц.

Роберт Майер, Джеймс Джоуль, Герман Гельмгольц
Роберт Майер, Джеймс Джоуль, Герман Гельмгольц Иллюстрация: light-fizika.ru
Запомни

Уравнение теплового баланса Qотд=QполQ_{\text{отд}}=Q_{\text{пол}} — частный случай закона сохранения энергии. И из этого же закона следует, что вечный двигатель невозможен: машина не может совершать работу, ниоткуда не получая энергию.

Образ для запоминания

Энергия — как деньги в закрытой копилке: монеты можно перекладывать из отделения в отделение (из вида в вид), но новые не появятся и старые никуда не денутся. Добавить или забрать можно только снаружи — работой или теплопередачей.

⚗ Мини-опыт

Запустите маятник без трения и следите за столбиками: как меняются Eп, Eк и их сумма? Включите трение. Что происходит с механической энергией и с внутренней? Меняется ли полная энергия?

▶ Симуляция PhET

На вкладке «Трение» запустите скейтера без трения и с трением, включите круговую диаграмму энергии. Куда уходит энергия, когда скейтер останавливается?

Энергетический скейт-парк: основыОткрыть ↗

Симуляция: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder, лицензия CC BY-NC 4.0 (phet.colorado.edu); русский перевод интерфейса.

? Проверь себя

Ответь, не подглядывая в конспект: вспоминать — лучший способ запомнить.

1Мяч падает без сопротивления воздуха. Как меняется его механическая энергия?
Без трения Eп+EкE_\text{п}+E_\text{к} сохраняется.
2Качели без толчков постепенно останавливаются. Куда девается их механическая энергия?
Энергия не исчезает — её «съедает» трение и превращает во внутреннюю.
3Почему невозможен вечный двигатель?
Это прямое следствие закона сохранения энергии.

✎ Задачи

А Уровень А по образцу: одна формула, один шаг

  1. Как меняются потенциальная и кинетическая энергии мяча, падающего без сопротивления воздуха?

    Ответ

    Потенциальная уменьшается, кинетическая увеличивается, их сумма не меняется.

    Как получилось?

  2. Камень массой 1 кг падает с высоты 20 м. Какой будет его кинетическая энергия у земли без сопротивления воздуха? (g=10g=10 Н/кг)

    Ответ

    Eк=Eп=mgh=1⋅10⋅20=200E_\text{к}=E_\text{п}=mgh=1\cdot10\cdot20=200 Дж.

    Как получилось?

  3. Санки скатились с горки и остановились. Куда делась их энергия?

    Ответ

    Перешла во внутреннюю энергию санок, снега и воздуха.

    Как получилось?

  4. Мяч массой 0,5 кг подбросили вверх со скоростью 10 м/с. На какую высоту он поднимется без сопротивления воздуха?

    Ответ

    Eк=0,5⋅1022=25E_\text{к}=\dfrac{0{,}5\cdot10^2}{2}=25 Дж; h=Eкmg=250,5⋅10=5h=\dfrac{E_\text{к}}{mg}=\dfrac{25}{0{,}5\cdot10}=5 м.

    Как получилось?

  5. Как называется система тел, которая не обменивается энергией с окружающими телами?

    Ответ

    Изолированная (замкнутая).

    Как получилось?

Б Уровень Б сам: несколько шагов, перевод единиц

  1. Шар массой 2 кг упал с высоты 10 м и, отскочив, поднялся на 6 м. Сколько механической энергии перешло во внутреннюю?

    Ответ

    mg(h1−h2)=2⋅10⋅(10−6)=80mg(h_1-h_2)=2\cdot10\cdot(10-6)=80 Дж.

    Как получилось?

  2. Санки массой 5 кг съехали с горки высотой 8 м и у подножия имели скорость 10 м/с. Сколько механической энергии перешло во внутреннюю?

    Ответ

    Eп=5⋅10⋅8=400E_\text{п}=5\cdot10\cdot8=400 Дж; Eк=5⋅1002=250E_\text{к}=\dfrac{5\cdot100}{2}=250 Дж; во внутреннюю — 150 Дж.

    Как получилось?

  3. Свинцовый шар массой 1 кг упал с высоты 42 м и не отскочил. На сколько градусов он нагрелся, если на его нагрев пошла половина механической энергии? (c=140 Джкг⋅∘Cc=140\ \frac{\text{Дж}}{\text{кг}\cdot{}^\circ\text{C}})

    Ответ

    Q=12mgh=12⋅1⋅10⋅42=210Q=\tfrac12mgh=\tfrac12\cdot1\cdot10\cdot42=210 Дж; Δt=Qcm=210140⋅1=1,5 ∘C\Delta t=\dfrac{Q}{cm}=\dfrac{210}{140\cdot1}=1{,}5\,{}^\circ\text{C}.

    Как получилось?

↻ Закрепи

Карточки терминов

Нажми на карточку — она перевернётся. «Знаю» — карточка вернётся на повторение позже (через сутки, неделю, месяц), «Повторить» — скоро снова.

Изолированная система
Тела, которые не взаимодействуют с внешними телами и не обмениваются с ними теплотой.
Закон сохранения механической энергии
Без трения Eп+Eк=constE_\text{п}+E_\text{к}=\text{const}.
Изменение полной энергии
ΔE=A+Q\Delta E=A+Q
Закон сохранения энергии
Энергия не возникает из ничего и не исчезает, а переходит от тела к телу и из вида в вид.
Полная энергия
Сумма механической (кинетической и потенциальной) и внутренней энергии.

Экспресс-карта

Возьми лист и за 3 минуты нарисуй по памяти карту темы: в центре — тема, ветви — главные идеи, на ветвях — термины. Потом сравни.