Закон сохр энергии: Ошибка 403 — доступ запрещён

Закон сохранения механической энергии – формула процесса

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 748.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 748.

Для всех известных на сегодня видов энергии (механическая, внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.) выполняется фундаментальный закон сохранения и превращения энергии. Рассмотрим действие этого закона на примере механической энергии, в состав которой входят потенциальная и кинетическая энергии. Выясним, с помощью каких формул вычисляются разные виды механической энергии.

Как работа связана с энергией

Понятие энергии тесно связано с понятием работы. Механическая работа А — это физическая величина, равная произведению силы F, действующей на тело, на путь s, пройденный телом в направлении силы.

$ А = F * s $ (1)

Для совершения работы требуется нечто общее для всех случаев, что позволит оказать силовое воздействие на тело. 2\over 2} $ (2).

Тогда для работы

A получим следующую формулу:

$ A = E_{k1} — E_{k0} $ (3),

где:

E_к0 — начальная кинетическая энергия тела;

E_к1 — конечная кинетическая энергия после действия силы, изменившей скорость тела.

Из формулы (3) следует, что работа силы, приложенной к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Таким образом, любое движущееся тело обладает кинетической энергией.

Рис. 1. Примеры кинетической энергии

Потенциальная энергия

Потенциальная энергия — это энергия, которая зависит от взаимного расположения взаимодействующих тел (или частей одного тела). Одиночное тело, не взаимодействующее с другими телами, не может обладать потенциальной энергией. В состав механической энергии включают два вида потенциальной энергии: энергию тела, на которое воздействует сила земного притяжения и энергию упруго деформированного тела.

Сила тяжести и потенциальная энергия

По аналогии с кинетической энергией определим работу A

, совершенную силой тяжести F_Т по перемещению тела массой m с высоты h₂ от поверхности Земли до высоты h₁. При этом, если h₂ > h₁, то значит, тело переместилось сверху вниз. Считаем силу тяжести постоянной, независящей от высоты и равной m*g, где g = 9,8 м/с² — ускорение свободного падения. Тогда, воспользовавшись формулой (1), получим:

$ A = m*g*(h_2 — h_1) $ (4)

Таким образом, работа силы тяжести по перемещению тела с высоты h₂ на высоту h₁ равна изменению величины m*g*h, которая называется потенциальной энергией тела E_p:

$ E_p = { m*g*h }$ (5).

Величина работы есть не что иное, как изменение потенциальной энергии тела, которую называют гравитационной, так как он обусловлена силой притяжения к Земле (от латинского gravitas — притяжение):

$ A = E_{p2} — E_{p1} $ (6).

где:

E_p1 — потенциальная энергия тела на высоте h₁;

E_p2 — потенциальная энергия тела на высоте h₂. 2\over 2} $ (7),

где: x — величина деформации (сжатие или удлинение пружины), k — коэффициент жесткости пружины.

Закон сохранения механической энергии

Полная механическая энергия тела E_M равна сумме потенциальной и кинетической энергий:

$ {E_м = E_p + Е_k} $ (8).

К середине XIX века физики разных стран на основании многочисленных исследований физических и химических процессов сформулировали закон сохранения и превращения энергии. В общем виде закон звучит так:

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую.

Действие этого закона для механической энергии рассмотрим на классическом примере подброшенного вертикально вверх металлического шарика. При подъеме шарика его скорость убывает, так как на него действует сила земного тяготения. Согласно формулы (2) убывает и кинетическая энергия Е_к. В то же время, с ростом высоты h растет потенциальная энергия E_p (см. 2\over 2}} $ (9),

где: v₀ — начальная скорость шарика.

Рис. 3. Сохранение механической энергии подброшенного шарика.

Для случая механической энергии закон сохранения можно сформулировать так: если между телами системы действуют исключительно силы упругости и силы тяготения, то сумма потенциальной и кинетической энергий остается постоянной, то есть механическая энергия сохраняется.

Если между телами кроме сил тяготения и упругости действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии будет превращаться во внутреннею энергию тел, то есть перейдет в тепло. Общий закон сохранения энергии, конечно, остается в силе. Происходит только перераспределение части механической энергии в тепловую (внутреннею).

Что мы узнали?

Итак, при изучении данной темы мы узнали что механическая энергия тела состоит из кинетической и потенциальной энергий. Энергия — это запас работы, которую может совершить тело, изменяя свое состояние. Закон сохранения энергии в механике утверждает, что энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы (потенциальной энергии) в другую — кинетическую. Механическая энергия сохраняется в случае отсутствия силы трения.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Эльмас Аметова

  10/10

• Артур Ленинский

  9/10

• Наталья Вобленко

  10/10

• Алексей Беляев

  10/10

• Антон Савочкин

  10/10

• Элина Капуста

  9/10

• Владислав Иващенко

  9/10

• Марина Максимова

  7/10

• Камиль Аблезов

  10/10

Оценка доклада

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 748.

---

А какая ваша оценка?

Закон сохранения энергии для колебательного контура и анализ графика колебаний

 

Вадим Муранов, победитель всероссийского конкурса «Учитель года», преподаватель физики с 24-летним опытом работы.

Всем добрый день! Рад приветствовать вас на нашем очередном уже 26-ом воскресном мастер-классе!

Тема нашего сегодняшнего мастер-класса «Колебания»

«Сила тока в идеальном колебательном контуре меняется со временем так, как показано на рисунке. Определите заряд конденсатора в момент времени 7 мкс.

Вместо таблицы в этой задаче график колебаний. Что можно определить по данному графику? Прежде всего, любой график колебаний – это зависимость некой величины (не важно какой) от времени. В данном случае, если мы внимательно посмотрим, увидим, что здесь синусоида

 

Первое, что определяется по графику – это промежуток по времени между двумя пиками или впадинами этого графика. И этот промежуток является периодом колебаний

Второе, что можно определить, – это максимальное значение величины, чей график изображен на рисунке. В данном случае это сила тока, поэтому по максимальной точке можно определить максимальное или амплитудное значение силы тока. Иными словами, верхняя точка графика – это амплитуда той величины, чей это график

Необходимо найти заряд на конденсаторе в момент времени t=7 мкс. Но моменту времени 7 мкс соответствует некое значение силы тока, которое мы можем легко определить по графику. Находим 7 мкс, опускаемся вниз, видим, что это соответствует силе тока

Сразу должен сказать, что этот минус нам ни о чем не говорит, это просто обозначает, что ток течет в другом направлении, поэтому минус для нас неважен. И сам заряд мы так же определим, это будет положительный ответ.

Можно по-разному находить этот заряд: можно составить уравнение заряда в зависимости заряда от времени, и с помощью него определить величину этого заряда, но мы поступим по-другому.

Вспомним, что в нашей задаче написано, что контур идеальный, а, на самом деле, все задачи, с которыми вы будете встречаться в школе, будут связаны с идеальными маятниками и идеальными колебательными контурами.

Для идеального колебательного контура выполняется следующая вещь: в любой момент времени суммарная энергия, сосредоточенная в этом контуре (в конденсаторе и в катушке), будет равна любой из максимальных, то есть максимальной энергии электрического поля или максимальной энергии магнитного поля

W_э + W_м = W_эм = W_Мм

Вот это равенство является законом сохранения энергии для идеального колебательного контура. Запомните это равенство, оно вам пригодится в грядущих событиях. Сейчас мы тоже это равенство применим, и даже не один раз.

Еще раз: суммарная энергия, запасенная в контуре, равна максимальным значениям энергии электрического поля конденсатора или максимальному значению энергии магнитного поля. В данном случае нам удобнее приравнять это к максимальной энергии магнитного поля, т. к. нам известна максимальная сила тока.

Запишем

и домножим это равенство на 2С, чтобы полностью убрать все знаменатели.

В итоге получаем

Замечаем, что произведение LC присутствует в формуле периода , знаменитая формула Томсона.

Отсюда выражаем произведение LC и получаем

Заменим LC на , но сначала выразим заряд в квадрате

А теперь вместо LC подставляем и получаем

Далее убираем квадрат у заряда

Теперь подставляем все известные значения и вычисляем по инженерному калькулятору

Получаем приблизительный ответ Кл. Теперь переводим это в микрокулоны 0,57 мкКл. Вот таким должен быть ответ!

Все видео по физике

Спасибо за то, что пользуйтесь нашими статьями. Информация на странице «Закон сохранения энергии для колебательного контура и анализ графика колебаний» подготовлена нашими авторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ. Чтобы успешно сдать необходимые и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий. Также вы можете воспользоваться другими материалами из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена: 07. 06.2023

Закон сохранения энергии и общие состояния материи – TracingCurves

Существуют четыре общих состояния материи. Размышление о них поднимает некоторые интересные вопросы, касающиеся систем и закона сохранения энергии.

R.C. Smith

Рассмотрим очень простой — возможно, слишком простой — пример с водой, H ₂ O, которая переходит из твердого состояния в жидкое, а затем в газообразное. С этими фазовыми переходами совпадает диапазон температур: от -40C – 0C , 0C-100C , и, наконец, 100C до 140C.

Если представить это в виде графика, то мы очень ясно увидим, как изменения состояния воды от твердого при замерзании до газообразного при нагревании до температуры кипения коррелируют с повышением температуры. С повышением температуры воды меняются плотности частиц, а значит, и структура молекул H ₂ O.

Всего существует четыре распространенных состояния вещества согласно кинетической теории вещества: твердое тело, жидкость, газ, плазма. Есть еще пятое состояние, о котором я напишу в будущем, известное как конденсат Бозе-Эйнштейна. Но в конкретном примере этой статьи мы рассматриваем только три из четырех фаз (по порядку): твердую, жидкую и газообразную. Последняя фаза, плазменная материя, здесь неприменима; хотя вода может перейти в состояние плазмы. В этом случае вода (H ₂ O) расщепляется на водород и кислород, а атомы водорода и кислорода испытывают ионизацию (превращаются в ионы).

 

1. i) Первая фаза (-40°C – 0C): твердая

Что касается описанного температурного диапазона, то в точке первой фазы, когда происходит поглощение тепла, вода находится при температуре -40°C и, следовательно, является твердой. Это связано с тем, что, когда вода подвергается воздействию температуры ниже 0°C, то есть температуры замерзания, она замерзает; таким образом, превращаясь в твердое тело. В этом состоянии частицы располагаются в правильном порядке, так как частицы расположены близко друг к другу.

Кроме того, в твердом состоянии молекулы воды обладают относительно небольшим количеством энергии, а это означает, что они жестко связаны и удерживаются вместе в фиксированных положениях. Понимая, что частицы материи испытывают силы притяжения, эти межмолекулярные силы достаточно сильны, чтобы удерживать частицы вместе в фиксированных положениях. Другими словами, в этом твердом состоянии молекулы воды не обладают достаточной энергией, чтобы разорвать свои связи. Таким образом, то, что мы видим, представляет собой твердое тело (в данном случае в виде льда) с фиксированным объемом.

Но это понятие фиксированного положения, как описано выше, может быть обманчивым. В то время как считается, что молекулы воды обладают небольшим количеством энергии и жестко ограничены в этом твердом состоянии, кинетическая теория материи говорит нам, что каждая частица всегда находится в постоянном движении. В этом случае частицы воды ограничены, но ограничены только состоянием колебательного движения .

Кстати, одна из самых глубоких интуиций здесь заключается в том, что в соответствии с законом сохранения энергии полная энергия замкнутой системы равна константа . Одно из следствий этого закона касается того, что энергия никогда не создается и не уничтожается. Он просто переходит из одной формы в другую, а это очень важное понятие в физике (как и в химии и других местах). Это помогает описать или, по крайней мере, предлагает более глубокое интуитивное понимание того, почему частицы воды в твердом состоянии не полностью прекращают движение. Они по-прежнему содержат энергию, точнее, кинетическую энергию, но в физике воды в твердом состоянии разрешено только колебательное движение. Этого колебательного движения недостаточно, чтобы разрушить структуру твердого тела.

Но, как мы видим, когда температура воды повышается от -40°С до 0°С, она приближается к точке плавления, при которой твердое тело воды будет претерпевать значительные изменения. За этим изменением следует и изменение строения частиц.

 

1. ii) Вторая фаза (0C-100C): жидкость

Во второй фазе, когда вода переходит из твердого состояния в жидкое, это коррелирует с увеличением количества поглощенного тепла. Кроме того, мы видим, как температура воды увеличивается от 0°C до 100°C (приблизительная точка кипения), по мере того, как она движется от точки плавления к точке кипения.

Важно отметить корреляцию между постепенным повышением температуры воды и постепенным изменением состояния. Мы наблюдаем, как при нагревании твердой воды частицы приобретают энергию. При получении энергии увеличивается и скорость колебательного движения. При этом увеличении колебательного движения структура твердого тела воды постепенно ослабевает; таким образом, можно наблюдать расширение твердого тела, когда оно медленно превращается в жидкость. Это расширение является результатом того, что твердые тела имеют заметно фиксированную поверхность и объем (по причинам, описанным в отношении первой фазы), при нагревании притяжение частиц уменьшается. Энергия вибрационного движения частиц усиливается, в результате чего частицы отдаляются друг от друга. Следствием этого является увеличение объема и уменьшение плотности. Следовательно, то, что регулярно наблюдается при таянии льда, — это, за неимением лучшего слова, дисперсия, например, в случае кубика льда, оставленного на столе при комнатной температуре. Когда вода превращается в жидкость, она растекается по столу.

Этот процесс продолжается по мере постепенного нагревания воды. В этом случае, когда температура воды увеличивается от 0°С до 100°С, по мере приближения температуры к точке кипения тепло передает все больше и больше энергии, пока частицы не вырвутся из-под действия межмолекулярных сил, удерживающих их вместе. Наконец, вода полностью переходит в жидкое состояние, при этом частицы расходятся дальше друг от друга с большей энергией (чем в твердом состоянии).

Хотя расстояние от частиц увеличилось, это относительная формулировка, поскольку они по-прежнему остаются близко. Разница лишь в том, что теперь они менее ограничены. Вместо того, чтобы соприкасаться и фиксироваться на месте, частицы могут разъединяться и свободно перемещаться друг вокруг друга.

Хотя сила межмолекулярных сил уменьшается, что связано с тем, что молекулы больше не располагаются в регулярном порядке, силы притяжения остаются, и молекулы теперь располагаются беспорядочно. Далее, межмолекулярные силы таковы, что молекулы остаются сближенными, но уже не закреплены и менее сжаты.

Обратите внимание на увеличение пространства между частицами (теперь расположенными случайным образом) по сравнению с тем, когда вода была твердой. Это увеличение пространства между частицами коррелирует с уменьшением плотности от твердого до жидкого. Иными словами, жидкость стала диффузной.

 

iii) Фаза третья (100°C-140°C): газ

В третьей фазе вода, теперь уже жидкая, достигает точки кипения. Процесс кипения начинается, когда жидкость начинает превращаться в газ. В этот момент за все время, за которое температура воды увеличилась с -40°С до 100°С и до 140°С, мы наблюдаем значительное увеличение количества поглощенного тепла.

Интересно отметить, что вода остается при температуре кипения до тех пор, пока не будет достигнуто значительное поглощение тепла, затем, наконец, наблюдается повышение температуры, когда вода начинает переходить из жидкого состояния в газообразное.

При переходе из жидкого состояния в газообразное жидкая вода теряет плотность. Другими словами, газы имеют гораздо меньшую плотность, чем жидкости, поэтому, когда вода переходит из жидкого состояния в газообразное, частицы воды распространяются еще дальше (чем при переходе воды из твердого состояния в жидкое).

Когда водная жидкость нагревается, повышение температуры точки кипения коррелирует с постоянным увеличением энергии. Опять же, это относится к закону сохранения энергии. Следовательно, частицы воды теперь вибрируют более энергично. Затем жидкость расширяется настолько, что частицы еще больше отделяются друг от друга. Они получают так много энергии, что теперь могут освободиться от своих сил притяжения, и диффузия начинает происходить быстрее.

Теперь частицы могут двигаться быстрее, так как силы притяжения между частицами становятся несовместимыми. Другими словами, частицы газа, наконец, имеют достаточную энергию, чтобы освободиться от межмолекулярных сил, которые когда-то удерживали их вместе. Из-за отсутствия подавляющего притяжения частиц газ может растечься и заполнить свой контейнер.

Как показано на изображении выше, обратите внимание на то, что частицы располагаются более широко, чем когда они жидкие или твердые. Расположение частиц также остается случайным, и поскольку частицы газа теперь могут свободно двигаться, в системе нет порядка. Можно также сказать, что, в отличие от твердого тела, у газа нет фиксированной формы.

Хотя в этой короткой статье был выбран очень простой пример, связанный с H ₂ O, он, тем не менее, дает невероятное представление об общих состояниях материи и о том, как они соотносятся с законом сохранения энергии. Можно не сразу подумать об этом невероятном микромире, который существует, просто глядя на тающий на столе кубик льда или воду, кипящую в кастрюле, но природа реальности невероятно богата деталями, как только мы начинаем присматриваться.

Так:

Нравится Загрузка…

Сохранение энергии Факты для детей

Детская энциклопедия Факты

В физике и химии закон сохранения энергии утверждает, что полная энергия изолированной системы остается постоянной; говорят, что 90 107 сохраняются 90 108 с течением времени. Этот закон, впервые предложенный и проверенный Эмили дю Шатле, означает, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена; скорее, его можно только трансформировать или перевести из одной формы в другую. Например, химическая энергия преобразуется в кинетическую энергию при взрыве динамитной шашки. Если сложить все формы энергии, выделившиеся при взрыве, такие как кинетическая энергия и потенциальная энергия осколков, а также теплота и звук, то получится точное уменьшение химической энергии при сгорании динамита.

В классическом понимании сохранение энергии отличалось от сохранения массы. Однако специальная теория относительности показала, что масса связана с энергией и наоборот как E = mc ² , и теперь наука придерживается точки зрения, что масса-энергия в целом сохраняется. Теоретически это означает, что любой объект, обладающий массой, сам может быть преобразован в чистую энергию, и наоборот. Однако считается, что это возможно только в самых экстремальных физических условиях, таких, которые, вероятно, существовали во Вселенной вскоре после Большого взрыва или когда черные дыры излучают излучение Хокинга.

Следствием закона сохранения энергии является то, что вечный двигатель первого рода не может существовать, то есть ни одна система без внешнего источника энергии не может доставлять неограниченное количество энергии в окружающую среду.

История

Древние философы еще Фалеса Милетского придерживались идеи, что существует некая субстанция, из которой все сделано. Но это не то же самое, что наша сегодняшняя концепция «массы-энергии» (например, Фалес считал, что основной субстанцией является вода). В 1638 году Галилей опубликовал свой анализ нескольких ситуаций. Это включало знаменитый «прерванный маятник». Это можно описать (на современном языке) как консервативное преобразование потенциальной энергии в кинетическую энергию и обратно. Однако Галилей не объяснил этот процесс в современных терминах и не понял современной концепции. Немец Готфрид Вильгельм Лейбниц в 1676-1689 гг.попытался математически сформулировать вид энергии, связанный с движением (кинетическая энергия). Лейбниц заметил, что во многих механических системах (нескольких масс, m _i каждая со скоростью v _i )

сохранялся до тех пор, пока массы не взаимодействовали. Он назвал это количество vis viva или жизненной силой системы. Принцип представляет собой точную формулировку приблизительного сохранения кинетической энергии в ситуациях, когда нет трения.

Прибор Джоуля для измерения механического эквивалента теплоты. Нисходящий груз, прикрепленный к струне, заставляет весло в воде вращаться

Между тем, в 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. В самом известном, ныне называемом «аппаратом Джоуля», опускающийся груз, прикрепленный к струне, заставлял вращаться лопасть, погруженную в воду. Он показал, что гравитационная потенциальная энергия, теряемая весом при спуске, примерно равна тепловой энергии (теплу), приобретаемой водой при трении о весло.

В период 1840-1843 гг. подобные работы были выполнены инженером Людвигом А. Колдингом, хотя за пределами его родной Дании они были малоизвестны.

Изображения для детей

См. также

На испанском языке: Conservación de la energía para niños

Все содержимое статей энциклопедии Kiddle (включая изображения и факты в статьях) можно свободно использовать по лицензии Attribution-ShareAlike, если не указано иное.