Закон сохранения энергии кратко и понятно: Ошибка 403 — доступ запрещён

Закон сохранения и превращения энергии – открытие в механике

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 217.

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 217.

Понятие энергии является одним из самых фундаментальных в физике. Разные виды энергии (потенциальная, кинетическая, внутренняя, электромагнитная, ядерная и др.) объединяет один, универсальный для всех, закон сохранения и превращения энергии. На примере механической энергии, которая объединяет потенциальную и кинетическую энергии, узнаем что такое энергия, как физическая величина, и почему она сохраняется при всех превращениях.

Как связаны работа и энергия

Развитие человеческой цивилизации происходило постепенно благодаря изобретению различных механических устройств, способных совершать тяжелый труд: рычаг, блок, клин, пружина и т.д. Человек совершает работу либо вручную, либо с помощью таких устройств. В обоих случаях совершается работа. 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)

Понятие энергии тесно связано с понятием работы. Любое движущееся тело может совершить работу. Дальнейший технический прогресс вооружил человека мощными механизмами, позволяющими совершать гигантские объемы работ. Самолеты, пароходы, автомобили, экскаваторы работают благодаря энергии, выделившейся в результате сгорания топлива. Турбины гидроэлектростанций приводятся во вращение от давления потока воды. Все эти примеры показывают, что во всех случаях для совершения работы изначально требуется нечто общее, которое и было сформулировано в виде понятия энергии.

Если тело или система тел, взаимодействующих между собой, способны совершить работу, то говорят, что они обладают энергией.

Итак, энергия — это физическая величина, показывающая какую работу тело (или несколько тел) могут совершить. Чем большей энергией обладает тело, тем большую работу оно способно совершить. То есть энергия это не что иное, как запас работы, которую может совершить тело, изменяя свое состояние.

2\over 2}$ (4),

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

Полная механическая энергия E_M равна сумме потенциальной и кинетической энергий:

${EM = Ep + Ек}$ (5).

Рис. 2. Механическая энергия.

Закон сохранения энергии

В середине XIX века английский исследователь Джоуль и российский ученый Ленц провели серию экспериментов по выяснению связи между механической работой и теплотой, результаты которых предопределили открытие закона сохранения и превращения энергии. В общем виде формулировка закона звучит так:

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

Рассмотрим действие этого закона на примере металлического шарика, который подбрасывают вертикально вверх. При подъеме шарика его скорость убывает, так как на него действует сила земного тяготения. Согласно формулы (2) убывает и кинетическая энергия Е_к. 2\over 2}}$ (6),

где: v₀ — начальная скорость шара.

Рис. 3. Сохранение механической энергии подброшенного шарика.

После открытия закона сохранения энергия стало понятно, что любые попытки изобрести “вечный двигатель” (Perpetuum Mobile) , то есть машину, способную совершать полезную работу без потребления энергии и без каких-либо изменений внутри машины, заранее обречены на провал. Невозможность создания “вечного двигателя” является одним из экспериментальных доказательств закона сохранения энергии.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали что такое энергия и как она связана с понятием работы. Чем большей энергией обладает тело, тем большую работу оно способно совершить. Закон сохранения и превращения энергии утверждает, что при любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает, а только превращается из одной формы в другую. Создать “вечный двигатель” невозможно потому, что это противоречит закону сохранения энергии.

Тест по теме

Доска почёта

Чтобы попасть сюда — пройдите тест.

• Ольга Рябцева

  7/10

• Иван Бахмат

  10/10

• Александр Коновалов

  10/10

• Анастасия Алексеева

  6/10

• Галя Комарова

  10/10

Оценка доклада

4

Средняя оценка: 4

Всего получено оценок: 217.

---

А какая ваша оценка?

формула, формулировка простыми словами, кто открыл, задачи с решением, примеры из жизни

Энергия — одно из сложнейших понятий современной физики. И закон сохранения энергии относится к числу ее основополагающих принципов. Вместе с экспертом разберем задачи с решением этого фундаментального закона природы и узнаем, кто его открыл

Борис Михеев

Автор КП

Андрей Найденов

Преподаватель математики и физики онлайн-школы TutorOnline

Физика ставит своей целью понимание самых общих закономерностей материального мира. Имена Архимеда, Ньютона, Эйнштейна знакомы каждому школьнику. Но великое множество ученых вложили по кирпичику в здание современной науки и ускорили развитие человеческой цивилизации. Ее современный уровень был бы недостижим без понимания природы энергии и ее законов прежде всего в механике, самом доступном для наблюдений и экспериментов разделе физики.

Формулировка закона сохранения энергии простыми словами в механике

Закон сохранения энергии действует повсеместно и незаметно. В механике он срабатывает в замкнутой системе под воздействием консервативных сил – то есть сил тяжести и упругости, зависящих только от стартового и финального положения тела и не зависящих от траектории движения. При таких условиях энергия тел никуда не исчезает, а лишь переходит из кинетической в потенциальную и наоборот – из потенциальной в кинетическую. Это и есть самая простая формулировка закона сохранения энергии для механических систем.

В ТЕМУ

Формула закона сохранения энергии

E=Ep+Ek=const

Где:

Ep — потенциальная энергия;
Ek — кинетическая энергия;

История открытия закона сохранения энергии

Закономерности взаимодействия физических тел интересовали ученых с античных времен. Но описать их в виде формулы или хотя бы принципа они не сумели. Первым это попытался сделать Рене Декарт в своем труде «Начала философии», изданном в середине XVII века. Он указал, что если одно тело сталкивается с другим, то может отдать ему только такое количество движения, сколько второе у него отнимет. Идею Декарта развил Лейбниц, введя понятие «живой силы», которую мы называем кинетической энергией. Поддержал его рассуждения Михайло Ломоносов в своем «всеобщем естественном законе», но все формулировки были скорее принципом, а не законом, формул не было.

Исаак Ньютон. Фото: wikipedia.org

От «живой силы» физики перешли к «кинетической энергии» только в середине XIX столетия, накопив опыт работы с тепловыми и электрическими машинами. Немалый экспериментальный вклад сделал в понимание этого закона Джеймс Джоуль и Роберт Майер. Самую полную математическую формулировку дал Герман Гельмгольц, который ввел понятие потенциальной энергии и обобщил закон сохранения энергии на все разделы физики – даже на те, которые в его время не существовали. Например, на теорию относительности и квантовую механику.

В ТЕМУ

Задачи на закон сохранения энергии

Самый общий физический закон используется при решении совершенно практических задач.

Задача 1

Некое тело подбросили вверх вертикально с начальной скоростью 15 м/с. На какую высоту оно поднимется? Сопротивление воздуха при решении задачи не учитывать.

Решение: полученная при броске кинетическая энергия будет постепенно преобразовываться в потенциальную энергию:

Ep=Ek

То есть: mgh=(m*V²)/2

Где:

m – масса тела;
V – начальная скорость;
g – ускорение свободного падения;
h – высота подъема.

После преобразований получаем формулу для высоты подъема:

h= V²/(2*g)=225/(2*9,8)=11,47 м.

Ответ: тело поднимется на высоту 11,47 м.

Задача 2

Пружину растянули на 15 см. Известно, что она получила потенциальную энергию 24 Дж. Какова жесткость пружины?

Решение: формула потенциальной энергии упруго деформированного тела:

E_p=(k*x²)/2

Где:

k – коэффициент жесткости;
x – величина деформации.

Преобразуем формулу для расчета:

k=(2*E_p)/x²=(2*24)/225=2133,33 Н/м

Ответ: жесткость пружины равна 2133,33 Н/м.

Популярные вопросы и ответы

Отвечает Андрей Найденов, преподаватель математики и физики онлайн-школы TutorOnline

Кто открыл закон сохранения энергии?

— В открытии закона сохранения энергии участвовали многие ученые. Некоторые из них были очень близки, чтобы сформулировать его. Например, Майер и Джоуль своими работами показали, что количество выделяемой теплоты равно совершенной работе и наоборот. Однако наиболее полную формулировку первым дал в своих работах Гельмгольц.

Какие примеры из жизни на закон сохранения энергии существуют?

— Таких примеров множество. Пример с молотком и гвоздем хорошо иллюстрирует переход механической энергии от молотка к гвоздю. Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Ни больше ни меньше.

Другой пример. Кубики льда, взятые при температуре 0º С и опущенные в бокал с газированной водой, растаят, если им сообщить столько же Джоулей тепла, сколько забрали тепла у воды, взятой при температуре 0º С, когда ее замораживали, чтобы она перешла в твердое агрегатное состояние – лед. А если газированная вода будет недостаточно теплой, то лед не растает. Однако если этот бокал оставить на столе надолго, лед все равно растает, так как он получит необходимое количество тепла из окружающего воздуха.

Еще пример. Когда болит горло, есть хороший бабушкин рецепт. Надо пить теплое молоко. Молоко прогревает горло, отдает тепло, что помогает лечению. Молоко при этом остывает в горле и не греет желудок, что тоже важно.

Во всех этих примерах можно наблюдать большие потери тепла на нагрев окружающих тел. Но основная часть энергии идет на полезное действие. Сколько энергии отдает одно тело, столько же получает и другое, минус потери тепла на нагрев окружающих тел.

Если исключить потери тепла, можно добиться очень высокой эффективности процесса. Это возможно в системах, где энергия не выходит наружу и не рассеивается, поэтому ее потери минимальные. Примером такой системы может служить термос. Горячая вода в термосе долго не остывает, потому что потери тепла минимальные.

Закон сохранения энергии здесь в том, что сколько молоток при ударе энергии отдал, столько же энергии гвоздь и получил. Фото pixabay.com

Когда сохраняется полная механическая энергия?

— Полная механическая энергия сохраняется в системах, которые называются изолированными. Получить полностью изолированную систему достаточно сложно. Всегда найдутся силы, которые будут действовать на тело или систему из нескольких тел извне.

Хорошим примером может стать жизнь космонавтов на орбитальном комплексе, вращающемся вокруг Земли. Если космонавт оттолкнется от пола на Земле, то сила притяжения быстро вернет его обратно на пол.

В орбитальном комплексе сила притяжения к Земле скомпенсирована движением корабля по круговой орбите. Состояние невесомости позволяет космонавту оттолкнутся от пола и лететь вверх неопределенно долго, пока он не столкнется с потолком. Тело космонавта можно считать изолированной системой, так как на него не действуют силы извне, а силы сопротивления движению со стороны воздуха в корабле минимальны.

В каком классе изучают закон сохранения энергии?

— Здесь есть одна тонкость. Закон сохранения механической энергии изучают на уроках физики в седьмом классе. А закон сохранения энергии, применительно к тепловым процессам, с использованием понятия внутренней энергии тела, изучают уже в восьмом классе.

Фото на обложке: pixabay.com

Принцип сохранения энергии

• Энергия является сохраняемой величиной . Энергия изолированной системы не изменится .
• Энергия не может быть ни создана , ни уничтожена. Только можно изменить из одной формы в другую форму.
• Например: если мы бросим камень вверх с определенной скоростью, то первоначально он будет иметь максимальную скорость и, следовательно, максимальную кинетическую энергию.
• Когда он движется вверх, его скорость увеличивается до . На определенной высоте его скорость становится нулем, и, следовательно, его кинетическая энергия становится нулем.
• В то же самое время камень набирает высоту по мере движения вверх.
• По мере того, как камень набирает высоту, его потенциальная энергия увеличивается.
  Отсюда ясно, что когда камень подбрасывают вверх, происходит непрерывное уменьшение кинетической энергии и увеличение потенциальной энергии.
• Однако общая энергия камня остается прежней . Это принцип сохранения энергии.
• Согласно принципу сохранения энергии , энергия не может быть ни создана, ни уничтожена, но может быть преобразована из одной формы в другую.

                                                                                                                               0053

Сохранение энергии при свободном падении

Рассмотрим тело массой м , первоначально находящееся в точке А , которая находится на высоте ч от земли, как на данном рисунке. Пусть тело свободно падает под действием силы тяжести так, что ускорение тела

g – ускорение свободного падения. Через определенное время тело достигает точки B , которая находится на высоте (h-x) от земли.

Когда тело падает, его скорость увеличивается. Наконец, тело ударяется о землю C со скоростью v.

Для точки A

. ) = ч.

Отсюда кинетическая энергия тела    (К.Э) _а = ½ мю ² = 0

А потенциальная энергия тела равна (ПЭ) _а = мгч0005

Полная механическая энергия тела в точке А определяется как

E _a = (K.E) _a + (P.E) _a = 0 + mgh = mgh

∴ 098 a 9 мгх …………………………………………………………. (i)

Для точки B

Когда тело находится в точке B на пути вниз, мы имеем начальную скорость (u) = 0

Конечную скорость (v) = v _b

Пройденное расстояние = AB=AC – BC = h – (h-x) = x

We have, v ² = u ² + 2gh (formula)

Or, v _b ² = 0 + 2gx = 2gx

∴ v _b ² = 2gx

Теперь кинетическая энергия тела в точке B равна потенциальная энергия тела в точке B равна

(P. E) _b = mgh = mg(h-x)

Таким образом, полная механическая энергия тела, когда оно находится в точке B , равна h-x) = mgx + mgh – mgx = mgh

∴ E _b = mgh

………………………………………………………… (ii)

Для точки C

Когда тело находится в точке C, для движения тела имеем

Начальная скорость (u) = 0

Окончательная скорость (V) = V _C

Расстояние = H

, V ² = U ² + 2GH

или V ² + 2GH 933

или V 9998 C8 C

9. 98 C

9. 98 9. 8 9. 8 9. 8 9. 8. 8. 2 = 0 + 2gh =2gh

∴v _c ² = 2gh

Следовательно, когда тело находится в точке C, кинетическая энергия определяется выражением

90952 (K.09E) 9 ½ mv _c ² = ½ m(2gh) = mgh

Аналогично, потенциальная энергия тела в точке C определяется формулой когда он находится в точке C, определяется как

E _c = (K.

E) _c + (P.E) _c = mgh + 0 = mgh

∴ Ec = mgh …………… …………………………………………… (iii)

Из уравнения (i), (ii) и (iii), видно, что полная механическая энергия свободно падающего тела, когда оно находится в точке А, равно энергии, когда оно находится в точке В или С.

Отсюда следует, что полная механическая энергия свободно падающего тела сохраняется .

Другими словами , принцип сохранения энергии верен в данном случае свободно падающего тела.

Если построить график между полной механической энергией свободно падающего тела и его высотой от земли, получится кривая как на рисунке ниже.

 

Ссылки:

i) https://examples.yourdictionary.com/law-of-conservation-of-energy-examples.html

ii) https://web.fscj.edu/Milczanowski/ psc/lect/Ch4/slide5. htm

iii) https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/thermo1f.html

 

Теги:сохраняемая величина, кинетическая энергия, механическая энергия , потенциальная энергия

Закон сохранения энергии Примеры

• ОПИСАНИЕ

  закон сохранения энергии шара для боулинга и кеглей

• ИСТОЧНИК

  tiero / iStock / Getty Images Plus

• РАЗРЕШЕНИЕ

  Используется по лицензии Getty Images

Закон физики утверждает, что энергия не может быть создана или разрушена. , а лишь переходили из одной формы в другую или переносились с одного предмета на другой. Этот закон преподается учащимся средних и старших классов на уроках физики, физики и химии.

Понимание закона сохранения энергии

Определение закона сохранения энергии подчеркивает, что энергия не может быть уничтожена или создана. Важно понять, что это на самом деле означает. Было бы неверным сказать, что целью эксперимента было бы получение энергии, поскольку это потребовало бы усилий для создания чего-то, что невозможно создать. Вместо этого энергия постоянно трансформируется, чтобы ее можно было использовать. Например, солнечные панели не производят солнечную энергию. Они используют энергию солнца и преобразуют ее в другой вид энергии (электричество).

Реклама

Повседневные примеры: Закон сохранения энергии

Многие примеры, иллюстрирующие закон сохранения энергии, можно увидеть в повседневной жизни. Просмотрите эти знакомые примеры переноса энергии, чтобы составить четкое представление о том, как научный закон сохранения энергии влияет на повседневную жизнь.

Сохранение энергии Примеры с участием людей

Энергия может передаваться между людьми или от людей к объектам. Все эти примеры иллюстрируют закон сохранения энергии.

• Келли пробежала через комнату и наткнулась на своего брата, толкнув его на пол. Кинетическая энергия, которой она обладала из-за своего движения, передавалась ее брату, заставляя его двигаться.
• Два футболиста столкнулись на поле, и оба отлетели назад. Энергия передавалась от каждого игрока к другому, отправляя их в направлении, противоположном тому, откуда они бежали.
• Когда вы толкаете книгу через стол, энергия вашей движущейся руки передается от вашего тела к книге, заставляя книгу двигаться.
  
• При ударе по мячу, лежащему на земле, энергия тела бьющего игрока передается мячу, приводя его в движение.
• Сэм переставлял мебель и нуждался в помощи, чтобы передвинуть тяжелый диван. Подошел его брат, и вместе они смогли толкнуть диван через комнату. Когда диван скользил по деревянному полу, энергия мужчин передавалась мебели.
• Пальцы, ударяющие по клавишам пианино, передают энергию от руки исполнителя к клавишам.
• Билли ударил по боксерской груше, передав энергию своей руки на стационарную грушу.
• Бет так сильно ударилась о стену, что проделала в ней дыру. Энергия передавалась от тела Бет гипсокартону, заставляя его двигаться.

Реклама

Примеры сохранения энергии между объектами

Когда два объекта сталкиваются друг с другом, энергия передается между двумя объектами.

• При игре в бильярд биток бьют по неподвижному шару-восьмерке. У битка есть энергия. Когда биток ударяется о шар-восьмерку, энергия передается от битка к шару-восьмерке, заставляя его двигаться. Биток теряет энергию, потому что энергия, которую он имел, была передана восьмерке, поэтому биток замедляется.
• При игре в бочче на лужайке маленький мяч бросают с намерением ударить по более крупным шарам и заставить их двигаться. Когда большой шар движется, потому что по нему ударил маленький мяч, энергия передается от маленького мяча к большему.
• Бейсбольный мяч попадает в окно дома, разбивая стекло. Энергия от шара передавалась стеклу, заставляя его разлетаться на осколки и лететь в разные стороны.
• Когда движущийся автомобиль сталкивается с припаркованным автомобилем и заставляет припаркованный автомобиль двигаться, механическая энергия передается от движущегося автомобиля к припаркованному автомобилю.
• Клэр бросила мяч, который попал в вазу ее матери и опрокинул ее. Энергия передавалась от движущегося шара неподвижной вазе, заставляя вазу двигаться.
• Когда машина врезается в дорожный знак, он падает. Энергия будет передаваться от движущегося автомобиля к неподвижному знаку, заставляя знак двигаться.
• Когда шар для боулинга сбивает кегли, которые стояли на месте, энергия передается от шара к кеглям. Никакая энергия не теряется.
• Когда машина врезалась в бордюр, она развалилась. Энергия движущейся машины передавалась неподвижному цементу, заставляя его двигаться.

Реклама

Другие примеры сохранения энергии

Многие другие ситуации иллюстрируют, как энергия может быть преобразована из одной формы в другую или передана между объектами.

• Вода может производить электричество. Когда вода падает с неба, она преобразует потенциальную энергию в кинетическую. Эта энергия затем используется для вращения турбины генератора для производства электроэнергии. Потенциальную энергию воды в плотине можно превратить в кинетическую энергию.
• Потенциальная энергия из нефти или газа является одним из видов химической энергии. Его энергия может быть использована для обогрева домов, офисов или других зданий, чтобы они оставались теплыми зимой.
• Лампочки преобразуют электрическую энергию в свет, который освещает темные помещения.
• Кошка, сидящая на самой высокой ветке дерева, обладает так называемой потенциальной энергией. Если кошка падает с ветки и падает на землю, ее потенциальная энергия теперь преобразуется в кинетическую энергию.
  
• Собака врезалась в елку и опрокинула ее. В момент удара энергия передавалась от движущейся собаки неподвижному дереву, заставляя дерево двигаться.

Реклама

Узнайте больше об энергии

Приведенные выше примеры закона сохранения энергии показывают, насколько эта физическая концепция используется в повседневной жизни. Теперь, когда вы знакомы с этим научным законом, найдите время, чтобы узнать о различных типах энергии.