Закон сохранения энергии : VIKENT.RU
Немецкий врач, естествоиспытатель.
В 1840-1841 годах Роберт Майер работал врачом на голландском судне, направлявшемуся к острову Ява. Во время пребывания в тропиках, он заметил изменение цвета венозной крови у своих пациентов по сравнению с цветом крови, какой она бывает в Европе… Размышляя, он пришёл к выводу, что в тропиках организму для поддержания температуры нужно «сжигать» меньше вещества, чем в Европе и существует некая связь между потреблением вещества и выделением тепла… (На современном языке это звучало бы примернор так: механическая работа и теплота в энергетическом смысле эквиваленты).
По возвращении домой в 1841 году, он послал статью «О количественном и качественном определении сил» редактору физического журнала «Annalen der Physik und Chemie» И. Поггендорфу.
«Поггендорф не опубликовал статьи и не ответил автору. Работа Майера оставалась неизвестной физикам вплоть до 1881 г.
, когда Цельнер опубликовал её факсимиле. Между тем эта работа содержит весьма интересные идеи. По Майеру, все явления природы обусловлены существованием «разностей», а «силы» действуют в направлении уничтожения этих «разностей». Но так как силы неуничтожимы, то они должны восстанавливать разности. «Таким образом, принцип, согласно которому раз данные силы количественно неизменны, обеспечивает нам продолжение существования разностей, а значит и материального мира». Закон сохранения энергии («силы», по терминологии Майера) обеспечивает, согласно представлениям Майера, вечный характер её в природе, движение никогда не прекратится.
Майер ещё не владеет точным понятием энергии. Мерой «силы» в случае механического движения он считает здесь ошибочно количество движения то. Но он делает правильный вывод, что когда сталкиваются при неупругом ударе два тела с одинаковыми и противоположными импульсами, то «нейтрализованное» движение не будет покоем («нулём движения»), оно перейдёт в теплоту.
Все явления природы суть превращения «сил», т. е. энергии. «Движение, теплота и… электричество представляют собой явления, которые могут быть сведены к одной силе, которые измеряются друг другом и переходят друг в друга по определенным законам», — утверждает Майер.
В 1842 г. была опубликована в химическом журнале статья Майера «Замечания о силах неживой природы». Здесь Майер дает следующее определение силам: «Силы суть… неразрушимые, способные к превращениям, невесомые объекты», то есть, силы Майера — это формы энергии. О «невесомости» их Майер говорит, чтобы подчеркнуть их отличие от весомого вещества. Энергию он рассматривает отдельно, независимо от материи. Мы теперь знаем, что и с философской и с чисто физической точки зрения, такое разграничение «сил» и материи неправильно, но тогда оно было необходимым, для того чтобы яснее представить картину энергетических превращений. Майер в конкретных примерах никогда не рассматривал энергетических превращений в чистом виде, самих по себе, а всегда реальные, материальные процессы.
В этой статье Майер рассматривает «силу падения», т. е. потенциальную энергию тяжёлых тел, «силу движения», т. е. кинетическую энергию (продолжая её еще ошибочно измерять через mv) и теплоту. Статью он заключает вопросом, «как велико соответствующее определённому количеству силы падения или движения количество тепла», т. е. как велик механический эквивалент тепла. Он утверждает, что если принять отношение теплоёмкостей воздуха за 1,421, то этот эквивалент равен 365 кГм .
В 1845 г. Майер издал отдельной брошюрой «Органическое движение в связи с обменом веществ», в которой вопрос о сохранении и превращении энергии рассматривается в полном объёме. Он рассматривает здесь различные энергетические превращения в неорганической природе, которые подчиняются общему закону: «при всех химических и физических процессах данная сила остается постоянной величиной». Термин «данная сила» означает данный запас энергии рассматриваемой системы (очевидно, замкнутой). Майер даёт подсчёт разности между теплоёмкостью газа при постоянном давлении и постоянном объёме (это соотношение теперь называется уравнением Майера) и вычисляет отсюда значение механического эквивалента тепла по измерениям Делароша и Берара…»
Кудрявцев П.
С., Конфедератов И.Я., История физики и техники, «Государственное учебно-педагогическое издательство Министерства просвещения РСФСР», М., 1960 г.
«Закон сохранения механической энергии» | План-конспект урока по физике (9 класс):
МБОУ СОШ п.свх.Агроном
План-конспект
открытого урока по физике в 9 классе
на тему «Закон сохранения механической энергии»
Подготовила и провела
учитель физики Рябцева А.П.
2018-2019гг
Тема урока: «Закон сохранения механической энергии» (9 класс)
Эпиграф урока: «Незнающие пусть научатся,
а знающие вспомнят еще раз»
Античный афоризм
Цели и задачи урока
Цель:
Раскрытие учащимися, в ходе урока, смысла закона сохранения энергии, получение сведений о границах его применимости, приобретение умения описывать преобразования энергии при движении тел и решении задач
Задачи:
Обучающие: Создать условия для формирования умений, обеспечивающих самостоятельное успешное применение закона сохранения механической энергии к решению задач на преобразование энергии придвижении тел
Развивающие: Способствовать развитию умений самостоятельно выделять главное, обобщать и систематизировать имеющиеся знания.
Развивать умение грамотно выражать свои мысли, строить логически выдержанный рассказ.
Воспитательные: Продолжать работать над совершенствованием качеств, отражающих отношение к другому человеку: дисциплинированность, вежливость, добросовестность, товарищество.
Тип урока: урок изучения нового материала.
Формы работы учащихся: работа в парах, фронтальный опрос, объяснение, беседа, индивидуальная.
Оборудование: компьютер, экран, мультимедийный проектор, шарик, подвешенный на нити, брусок, наклонная поверхность, мячик.
План урока
1. Оргмомент
2.Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала.
3. Этап усвоения новых знаний.(опыт, ответы на вопросы, вывод формулы)
4.Этап обеспечения планируемого уровня знаний. ( сообщения, решение задачи)
5.Этап закрепления нового материала.(видеотест).
6. Этап информирования учащихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению.
7.Рефлексивно — оценочный этап
8.
Итоги урока. Выводы.
1.Организационный этап
(Учитель входит с мячом в руках!)
Взаимные приветствия учителя и учащихся;(здравствуйте, ребята и уважаемые коллеги.) Доброе утро, солнечный день. У всех хорошее настроение, улыбка на лицах. Давайте это настроение сохраним до конца урока. Фиксация отсутствующих;(отметить отсутствующих)
2.Организация внимания и внутренней готовности.
(Учащимся раздаются черновики)
Этап подготовки учащихся к активному и сознательному усвоению нового материала.
Учитель: Один бойкий журналист, держа в руках записную книжку и карандаш, спросил Эйнштейна: «Есть ли у вас блокнот или записная книжка, куда вы записываете свои великие мысли?» Эйнштейн посмотрел на него и сказал: «Молодой человек! По-настоящему великие мысли приходят в голову так редко, что их нетрудно и запомнить»
Когда у Эйнштейна спросили, как он потратит время, данное на решение одной проблемы (один час), он ответил, что 55 минут он потратит на выделение проблемы и её альтернатив, а 5 минут — на её решение.
Он провёл очень много времени за размышлениями и очень мало времени — за действиями. Прислушаемся совета великого ученого и наши 45 минут разделим так: 40 минут размышляем и 5 минут действуем!!!
В природе много тайн. А физика — это наука о природе, разгадавшая больше загадок мироздания, чем любая другая. И я предлагаю Вам приоткрыть одну из таких тайн. Жажда открытий была главной движущей силой, «действующей» на ученых в их очень трудном, но и самом интересном деле — поиске истины. Есть удивительные законы и один из них мы сегодня рассмотрим. Многие ученые посвятили жизнь изучению этого закона, а мы с Вами еще посмотрим, как он влияет на нашу жизнь. Попробуем понять, почему он необходим нам в повседневной жизнедеятельности.
Эпиграфом к нашему уроку будут слова «Незнающие пусть научатся, а знающие вспомнят еще раз». Подумайте, какое отношение эти слова имеют к нашему уроку?
— Правильно, речь пойдет о чем-то уже ранее известном.
Для того, чтобы сформулировать тему и цель нашего урока, мы вспомним то, что проходили, изучали в предыдущих классах.
«Опыт – вот учитель жизни вечной», – писал И.Гете
1 опыт. Демонстрационные опыты на кафедре. (учитель рассказывает как проделывать опыт, затем ученики делают выводы)
1.опыт. В ходе опыта изменяем высоту скатывания шарика, замечаем расстояние, на которое сдвигается брусок, лежащий на горизонтальной плоскости.
2.опыт.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?
В ходе опыта изменяем высоту скатывания шарика, замечаем расстояние, на которое сдвигается брусок, лежащий на горизонтальной плоскости.
(Объясняют опыты учащиеся)
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).
3. Этап усвоения новых знаний
Из всех поставленных экспериментов какой вывод можно сделать?
Учащиеся (предполагаемый ответ): Энергия не исчезает и не появляется вновь. Она только переходит от одного тела к другому или из одного вида в другой.
Откроем тетради и запишем число и тему урока «Закон сохранения механической энергии»
Цель урока:
Раскрыть в ходе урока, смысл закона сохранения энергии, получение сведений о границах его применимости, приобретение умения описывать преобразования энергии при движении тел и решении задач.
Выразим это математически. Вызвать ученика к доске, 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?
1) Ответ. За счёт действия силы тяжести
2).Вопрос.Чему равна работа силы тяжести? Можно это выразить математически?
2)Ответ.Работа силы тяжести равна убыли потенциальной энергии.
A=-(Ep2 — Ep1) (1)
3)Вопрос.Что можно сказать о скорости мячика при мере приближения к полу?
3)Ответ.Скорость мячика возрастает
4)Вопрос.Значит ли это, что с другой стороны работа силы тяжести равна изменению кинетической энергии тела? Если да, то вырази это математически?
4)Ответ.Да. A=Ek2-Ek1 (2)
5)Вопрос. Насколько убывает потенциальная энергия и насколько увеличивается кинетическая?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) -(Ep2 — Ep1) =Ek2-Ek1
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.
6)Ответ. Ek1 +Ep1 =Ek2+Ep2
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: Ek1 +Ep1 =Ek2+Ep2=E=const
— 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 91-93.
Закон сохранения полной механической энергии является частным случаем всеобщего закона сохранения энергии.
Какой вывод вы сделали из прочитанного текста?
вывод: 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.
4. Этап обеспечения планируемого уровня знаний.
Законы не открываются сами по себе, их открывают люди. Вот о таких людях мы и поговорим. Немного истории.
Закон сохранения энергии был открыт экспериментальным путем независимо друг от друга тремя учеными: Робертом Майером (немецкий физик и врач), Джеймсом Прескоттом Джоулем (английский физик) и Германом Гельмгольцем (немецкий ученый).
Почти за сто лет к открытию этого закона очень близко подошел выдающийся русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.
(Доклад ученика)
Однажды Роберт Майер услышал от моряка, что во время сильной бури вода
нагревается. Эти слова его заинтересовали. А в 1840 году судно, на котором
работал Майер судовым врачом, стояло у берегов тропического острова Ява.
Одному из матросов от жары стало плохо. Желая помочь, Майер вскрывает ему вену, чтобы уменьшить избыточное кровяное давление (тогда такой прием был распространен). И, к своему ужасу, обнаруживает, что вместо темной крови потекла алая. Испуг врача объяснялся тем, что алая кровь течет в артериях. Своим цветом она обязана высокому содержанию кислорода: это «свежая» кровь, которая только что омыла легкие. А по венам кровь течет уже после того, как она разнесла кислород по телу. В венозной крови кислорода мало, поэтому она темно-красная. Для кровопускания можно вскрывать только вену — кровотечение же из артерии смертельно опасно.
К счастью, Майер не ошибся: он вскрыл больному вену. Но ученый задается вопросом: почему же в вене течет алая кровь?
Удивление Майера усилилось, когда местные врачи сказали ему, что здесь
это — обычное явление: в тропиках венозная кровь у людей такая же алая, как и артериальная
Учитель: А как бы Вы ответили на вопрос с точки зрения физики? Почему у людей, живущих в тропиках, в вене течет алая кровь?
Учащиеся (предполагаемый ответ): Температура воздуха почти равна
температуре человеческого тела. Организму не нужно расходовать энергию
на поддержание температуры тела, поэтому кислород остается в крови — ведь
энергию дает именно сгорание кислорода. А это значит, что энергия сохраняется: она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего.
Добавить сообщение о Гельмгольце.
4.Вечный двигатель
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.
5. Этап закрепления нового материала.
(Попробуйте, используя свои знания ответить на вопросы. Блиц-опрос – видеотесты. Взаимопроверка!!!)
(учащиеся выполняют тест, затем проверяют друг у друга и сверяют ответы с правильными ответами на экране)
6.Этап информирования учащихся о домашнем задании, инструктаж по его выполнению. Объявить оценки.
П.22, примеры решения задач, итоги главы, упр.22(по желанию)
7.Рефлексивно — оценочный этап
Учитель: Наш урок подходит к концу. Мы с Вами в очень активной форме изучили закон сохранения энергии, вспомнили основные формулы. Вы учились применять свои знания в новых ситуациях. И у Вас это получилось.
1)Какую задачу мы ставили перед собой на уроке?
Ответ:1)Ввели понятие замкнутой изолированной системы, полной механической энергии. Получили закон сохранение механической энергии на опыте и экспериментально. Научились решать задачи с применением закона сохранения механической энергии
— 2)Мы выполнили ее? ответ: 2)Да
— 3)Как именно мы ее выполнили? ответ: 3)Сообщения об открытии закона сохранения механической энергии, о выполнении этого закона в окружающем мире, решили задачу.
Наше занятие я хотела бы закончить притчей о Мастере и ученике.
В старинном городе жил Мастер, окруженный учениками. Самый способный из них однажды задумался: «А есть ли вопрос, на который наш Мастер не смог бы ответить?». Он пошел на цветущий луг, поймал самую красивую бабочку и спрятал ее между ладонями. Бабочка цеплялась за его руки, и ученику было щекотно. Улыбаясь, он подошел к Мастеру и спросил: — Скажите, какая бабочка у меня в руках, живая или мертвая? Он крепко держал бабочку в сомкнутых ладонях и готов был в любое мгновение раскрыть или сжать их ради своей истины. Не глядя на ученика, Мастер ответил: — Все в твоих руках.
Сейчас перед каждым из Вас на столе сидит самая маленькая и самая красивая бабочка. Возьмите ее. Она Ваша… Она в Ваших руках… Все в Ваших руках… Ведь Вы сами строите свою жизнь и все, что в ней случается. Ваша успешность будет во многом зависеть, от тех знаний, которые Вы получите. А знания — это великая сила. Все наши открытия в наших руках.
Каждому учащемуся предлагается закончить одно из следующих предложений.
Я сегодня на уроке узнал о… |
Мне понравились на уроке моменты… |
Я чувствую себя.. |
Я хотел бы узнать по данной теме о.. |
Мне не понравилось.. |
У меня сейчас настроение.. |
Я узнал на уроке новое о… |
По данной теме мне хотелось бы узнать еще о… |
Мне было сегодня на уроке.. |
Мое состояние сейчас я оцениваю, как… |
Я хотел бы изучить подробнее по данной теме следующие вопросы… |
Данная тема была для меня… |
Урок был… |
8.
Итоги урока.Выводы.
Ребята, мы изучили тему «Законы сохранения в механике». В замкнутой системе сумма кинетической и потенциальной энергии остается постоянной:
Е полная = Ек + Еп – const.
Но мы говорили и о том, что закон распространяется не только на механическую, но и на другие виды энергии и в общем случае его можно сформулировать так: В замкнутой системе энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно, а переходит из одного вида в другой, от одного тела к другому. Я хочу предложить применить этот закон не к физическим явлениям, а к нравственным категориям.
Итак гипотеза: Получая энергию в виде пищи, человек двигается, совершает механическую работу, отдает энергию окружающим в виде слов, эмоций и др. И все, что делает человек может быть добрым или злым, затрачивая одну и ту же энергию мы с одинаковым успехом творим добро или зло. Наша отданная энергия никуда не исчезает, а переходит от одного человека к другому. Разве не случалось такого? Вы пошли в школу с плохим настроением.
Нагрубили учителю, занимались плохо, в школу были вызваны родители, а вечером вся отрицательная энергия вернулась к вам в полном объеме. И наоборот, как в детской песне «Поделись улыбкою своей, и она к тебе не раз еще вернется».
Добро – это то, что делается на благо общества, во имя чего-то большего, чем интересы отдельного человека. Добро – есть поступки во благо других людей.
Л.Н. Толстой: «В жизни есть только одно несомненное счастье – жить для других».
Давайте попробуем подобрать слова, которые будут характеризовать добро.
(Ребята называют, они записываются в столбик на доске.)
– Теперь поговорим о зле.
(Ребята дают свои определения злу.)
Зло – все, что губит душу человека, способствует нравственной деградации. Зло – это войны и предательство, зависть и жадность, это хамство и равнодушие, эгоизм и обман, пьянство и наркомания, Зло это когда сильный обижает слабого, когда хулиган оскорбляет людей, когда чиновник вымогает взятку, когда взрослые дети забывают о своих престарелых родителях, а родители не заботятся о своих маленьких детях.
Слова записываются в колонку. Учитель обращает внимание, что каждому слову из первой колонки есть противоположное во второй.
– Давайте попробуем записать формулу добра и зла.
Ученики предлагают свои формулы, объясняя их.
– А я знаю совершенно точно, что добро всегда обратно пропорционально злу ( чем меньше зла тем больше добра и наоборот)
Д = 1/З или
З = – Д
Православная церковь не признает добродетелью такие добрые поступки, о которых человек, сделавший их, рассказывает другим. В старину в крестьянских избах делались маленькие окошечки, в которые подавали милостыню, Они делались маленькими, чтобы ни подающий милостыню, ни берущий не видели друг друга. Вот вы сказали о сделанном зле, теперь раскайтесь в нем, решите для себя никогда больше его не совершать. Попросите прощения.
– Вернемся к физике. Представим замкнутую систему – семья. Если члены семьи передают окружающим отрицательную энергию – зло, что происходит с семьей?
– Разрушается.
– Разрушается и сам человек, который несет людям зло. В ХХ веке жил знаменитый конструктор Игорь Иванович Сикорский. Он создавал летающие аппараты, сконструировал вертолет, и этот ученый не видел противоречия между наукой и религией. Выше всех достоинств научного и технического прогресса он ставил моральное совершенствование человека. Ему принадлежит мысль, что если люди поступают плохо, зло накапливается, то природа уничтожает этих людей и это зло, играя в этом случае роль клапана безопасности, ограничивающего количество страданий и боли, которое один человек может принести многим людям.
Учитель: Доброта — это искренний, добрый, светлый поток энергии, исходящий из души человека. Попытайтесь быть хоть немного добрее – и вы увидите, что окажетесь не в состоянии совершить дурной поступок. Конфуций
1 ученик:На асфальте надпись, как загадка,
Не перешагнуть, ни обойти –
Ночью кто-то написал украдкой
Слово наболевшее ПРОСТИ
Боль вины так в ком-то накипела,
Жить с ней дольше не хватает сил,
У обиженного словом или делом
Человек прощенья попросил.
Написал в надежде, что заметил,
Слово стороной не обходил
И пускай словами не ответил,
Только бы поверил и простил.
На асфальте броско, ярко светит
Слово-покаяние «ПРОСТИ»
Чтобы всем обиженным на свете
Груз обиды в сердце не нести.
Словами, мыслями, делами
Твори добро, борись со злом.
Всегда, везде, где только сможешь,
А главное – в себе самом.
Словами, мыслями, делами
Твори добро, борись со злом.
Всегда, везде, где только сможешь,
А главное – в себе самом.
2 ученик Не зли других и сам не злись!
Мы гости в этом бренном мире…
И если что не так-смирись,
Будь поумнее-улыбнись!
Холодной думай головой,
Ведь в мире все закономерно:
Зло, излученное тобой,
К тебе вернется непременно…
1 ученик «Давайте поклоняться доброте…»
На кладбище военном, на плите,
Я прочитал и в жизнь унес когда-то.
И лучевой строкой в моем труде
Вдруг стала эта заповедь солдата:
«Давайте поклоняться доброте.
..»
Давайте с думой жить о доброте:
Вся в голубой и звёздной красоте
Земля добра. Она дарит нас хлебом,
Живой водой и деревом в цвету.
Под этим вечно неспокойным небом
Давайте воевать за доброту!
Звучит песня: Твори добро — Шура
Руки твои сильные
Ты защити слабого
Мысли твои верные
Ты научи глупого
Глаза твои, твоя душа
Добрая и чистая
Дари ее тому
Кому больно одному
Твори добро на всей земле
Твори добро другим во благо
Не за красивое спасибо
Услышавшего тебя рядом
Твори добро на всей земле
Твори добро другим во благо
Не за красивое спасибо
Услышавшего тебя рядом
Я долечу до неба
Я накричусь досыта
Я расскажу все тайны дня
Досветла
Я долечу до неба
Я накричусь досыта
Я расскажу все тайны дня
Досветла
Твори добро на всей земле
Твори добро другим во благо
Не за красивое спасибо
Услышавшего тебя рядом
Твори добро на всей земле
Твори добро другим во благо
Не за красивое спасибо
Услышавшего тебя рядом
Сохранение энергии — Энциклопедия Нового Света
- Эта статья о законе сохранения энергии в физике.
В физике закон сохранения энергии утверждает, что общее количество энергии в изолированной системе остается постоянным. На основании этого закона ученые пришли к выводу, что в изолированной системе энергия не создается и не уничтожается, но может менять форму. Например, потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию, а кинетическая энергия может стать тепловой энергией.
Содержание
- 1 История
- 2 Первый закон термодинамики
- 3 Механика
- 3.1 Теорема Нётер
- 3.2 Относительность
- 3.3 Квантовая теория
- 4 См. также
- 5 Примечания
- 6 Каталожные номера
- 7 кредитов
Понимая этот закон, инженеры могут проектировать машины, которые могут использовать энергию для производства работы. Например, тепловая энергия (или тепло, выделяемое при сжигании топлива) может использоваться для привода турбины, которая, в свою очередь, может использоваться для выработки электроэнергии.
История
Древние философы догадывались о сохранении некой основной субстанции, из которой все сделано. Например, Фалес Милетский думал, что это вода.
В 1638 году Галилей опубликовал свой анализ нескольких ситуаций, включая знаменитый «прерванный маятник», которые можно описать (на современном языке) как консервативное преобразование потенциальной энергии в кинетическую и обратно. Однако Галилей не изложил этот процесс в современных терминах, и ему снова нельзя приписать решающее понимание. Это был Готфрид Вильгельм Лейбниц в 1676–1689 гг.
{2}}
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. Многие физики того времени считали, что закон сохранения импульса, сохраняющийся даже в системах с трением, определяемый импульсом:
- ∑imivi{\displaystyle \,\!\sum _{i}m_{i}v_{i}}
был законсервированным vis viva . Позже было показано, что при соответствующих условиях обе величины сохраняются одновременно, например, при упругих столкновениях.
В основном инженеры, такие как Джон Смитон, Питер Юарт, Карл Хоцманн, Гюстав-Адольф Хирн и Марк Сеген, возражали против того, что одного сохранения импульса недостаточно для практических расчетов, и использовали принцип Лейбница. Этот принцип также отстаивали некоторые химики, такие как Уильям Хайд Волластон. Такие академики, как Джон Плейфер, поспешили указать, что кинетическая энергия явно не сохраняется.
Это очевидно для современного анализа, основанного на втором законе термодинамики, но в восемнадцатом и девятнадцатом веках судьба потерянной энергии была еще неизвестна. Постепенно возникло подозрение, что теплота, неизбежно генерируемая движением при трении, представляет собой другую форму vis viva
, который можно понимать как нахождение точного значения константы преобразования кинетической энергии в работу, в значительной степени является результатом работы Гаспара-Гюстава Кориолиса и Жана-Виктора Понселе в период 1819–1839 гг.
Первый назвал количество quantité de travail (количество работы), а второй travail mécanique
В газете, Über die Natur der Wärme, , опубликованном в Zeitschrift für Physik в 1837 году, Карл Фридрих Мор дал одно из первых общих утверждений доктрины сохранения энергии в следующих словах: «Кроме 54 известных химических элементов, в физическом мире существует только один агент , и это называется Kraft [энергия или работа]. В зависимости от обстоятельств она может проявиться как движение, химическое сродство, сцепление, электричество, свет и магнетизм, и из любой из этих форм она может быть преобразована в любую из другие.»
Ключевым этапом в развитии современного принципа сохранения стала демонстрация механического эквивалента тепла . Калорическая теория утверждала, что теплота не может быть ни создана, ни уничтожена, но сохранение энергии влечет за собой противоположный принцип, согласно которому теплота и механическая работа взаимозаменяемы.
Принцип механической эквивалентности был впервые сформулирован в его современной форме немецким хирургом Юлиусом Робертом фон Майером. [2] Майер пришел к такому выводу во время путешествия в Голландскую Ост-Индию, где он обнаружил, что кровь его пациентов была более ярко-красной, потому что они потребляли меньше кислорода и, следовательно, меньше энергии для поддержания температуры тела в более жарких условиях. климат. Он обнаружил, что и теплота, и механическая работа являются формами энергии, а позже, улучшив свои познания в физике, вычислил количественную связь между ними.
Прибор Джоуля для измерения механического эквивалента тепла. Нисходящий груз, прикрепленный к веревке, заставляет вращаться весло, погруженное в воду. Между тем, в 1843 году Джеймс Прескотт Джоуль независимо открыл механический эквивалент в серии экспериментов. В самом известном из них, ныне называемом «аппаратом Джоуля», опускающийся груз, прикрепленный к струне, заставлял вращаться лопасть, погруженную в воду.
В период 1840–1843 гг. подобную работу выполнял инженер Людвиг А. Колдинг, хотя она была малоизвестна за пределами его родной Дании.
Работа Джоуля и Майера страдала от сопротивления и пренебрежения, но именно работа Джоуля, возможно, несправедливо, в конечном итоге получила более широкое признание.
В 1844 году Уильям Роберт Гроув постулировал связь между механикой, теплотой, светом, электричеством и магнетизмом, рассматривая их все как проявления единой «силы» ( энергия по современным меркам). Гроув опубликовал свои теории в своей книге «Корреляция физических сил ». [3] В 1847 году, опираясь на более ранние работы Джоуля, Сади Карно и Эмиля Клапейрона, Герман фон Гельмгольц пришел к выводам, сходным с выводами Гроува, и опубликовал свои теории в своей книге Über die Erhaltung der Kraft ( On the Conservation Силы, 1847).
Общее современное признание принципа проистекает из этой публикации.
В 1877 году Питер Гатри Тейт утверждал, что этот принцип был создан сэром Исааком Ньютоном на основе творческого прочтения предложений 40 и 41 из Philosophiae Naturalis Principia Mathematica . Сейчас это обычно рассматривается как не более чем пример истории вигов.
Первый закон термодинамики
Энтропия есть функция количества теплоты, которая показывает возможность преобразования этого тепла в работу.
Для термодинамической системы с фиксированным числом частиц первый закон термодинамики можно сформулировать так:
- δQ = dU + δW {\ displaystyle \ delta Q = \ mathrm {d} U + \ delta W \,} или эквивалентно, dU = δQ−δW {\ displaystyle \ mathrm {d} U = \ delta Q- \ delta W \,},
, где δQ {\ displaystyle \ delta Q} — количество энергии, добавляемой в систему в процессе нагрева, δ W {\ displaystyle \ delta W} — количество энергии, теряемой системой.
из-за работы, совершаемой системой над ее окружением, и представляет собой увеличение внутренней энергии системы.
Значения δ перед терминами тепла и работы используются для обозначения того, что они описывают приращение энергии, которое следует интерпретировать несколько иначе, чем приращение внутренней энергии. Работа и тепло равны обрабатывает , которые добавляют или вычитают энергию, в то время как внутренняя энергия представляет собой конкретную форму энергии, связанную с системой. Таким образом, термин «тепловая энергия» для δQ {\ displaystyle \ delta Q} означает «количество энергии, добавленное в результате нагрева», а не относится к конкретной форме энергии. Точно так же термин «рабочая энергия» для δW {\ displaystyle \ delta W} означает «то количество энергии, которое теряется в результате работы». Наиболее важным результатом этого различения является тот факт, что можно ясно указать количество внутренней энергии, которой обладает термодинамическая система, но нельзя сказать, сколько энергии поступило в систему или вышло из нее в результате ее нагревания или охлаждения.
Для простой сжимаемой системы работа, выполненная системой, может быть записана
- δW=PdV{\displaystyle \delta W=P\,\mathrm {d} V},
где P{\displaystyle P} — давление, а dV{\displaystyle dV} — небольшое изменение объем системы, каждый из которых является системной переменной. Тепловая энергия может быть записана
- δQ = TdS {\ displaystyle \ delta Q = T \, \ mathrm {d} S},
, где T {\ displaystyle T} — температура, а dS {\ displaystyle \ mathrm {d} S} — небольшое изменение энтропии системы. Температура и энтропия также являются системными переменными. 9{N} p_ {i} {\ dot {q}} _ {i} -L = const} и pi = ∂L ∂q˙i {\ displaystyle p_ {i} = {\ frac {\ partial L} {\ частичное {\dot {q}}_{i}}}}
, где L — функция Лагранжа. Чтобы эта конкретная форма была действительной, должно выполняться следующее:
- Система является склерономной (ни кинетическая, ни потенциальная энергия не являются явной функцией времени)
- Кинетическая энергия представляет собой квадратичную форму относительно скоростей
- Потенциальная энергия не зависит от скорости
Теорема Нётер
Сохранение энергии является общей чертой многих физических теорий.
С математической точки зрения это понимается как следствие теоремы Нётер, которая утверждает, что каждой симметрии физической теории соответствует сохраняющаяся величина; если симметрия теории инвариантна во времени, то сохраняющаяся величина называется «энергией». Закон сохранения энергии является следствием сдвиговой симметрии времени; сохранение энергии подразумевается эмпирическим фактом, что законы физики не меняются с течением времени. Философски это можно сформулировать так: «ничто не зависит от времени как такового».
Другими словами, если теория инвариантна относительно непрерывной симметрии переноса времени, то ее энергия (которая является канонической величиной, сопряженной времени) сохраняется. И наоборот, теории, не инвариантные относительно сдвигов во времени (например, системы с зависящей от времени потенциальной энергией), не обнаруживают сохранения энергии, если только не считать, что они обмениваются энергией с другой, внешней системой, так что теория расширенной системы становится снова инвариантен во времени.
Поскольку любая меняющаяся во времени теория может быть встроена в инвариантную во времени метатеорию, сохранение энергии всегда можно восстановить путем подходящего переопределения того, что такое энергия. Таким образом, сохранение энергии для конечных систем справедливо во всех современных физических теориях, таких как специальная и общая теория относительности и квантовая теория (включая квантовую электродинамику).
Относительность
С формулировкой Альбертом Эйнштейном специальной теории относительности было предложено, чтобы энергия была одним компонентом 4-вектора энергии-импульса. Каждая из четырех составляющих (одна из энергии и три из импульса) этого вектора отдельно сохраняется в любой заданной инерциальной системе отсчета. Также сохраняется длина вектора (норма Минковского), которая является массой покоя. Релятивистская энергия одиночной массивной частицы содержит член, связанный с ее массой покоя, в дополнение к ее кинетической энергии движения. В пределе нулевой кинетической энергии (или, что то же самое, в системе покоя массивной частицы или в системе центра импульса для объектов или систем) полная энергия частицы или объекта (включая внутреннюю кинетическую энергию в системах) связана к его массе покоя через известное уравнение E=mc2{\displaystyle E=mc^{2}}.
Таким образом, в специальной теории относительности было показано, что правило сохранения энергии является частным случаем более общего правила, также называемого 9-м правилом.0009 сохранение массы и энергии, сохранение массы-энергии, сохранение энергии-импульса, сохранение инвариантной массы, или сейчас обычно просто называют сохранением энергии.
В общей теории относительности сохранение энергии-импульса выражается с помощью псевдотензора напряжения-энергии-импульса.
Квантовая теория
В квантовой механике энергия определяется как пропорциональная производной по времени волновой функции. Отсутствие коммутации оператора производной по времени с самим оператором времени математически приводит к принципу неопределенности для времени и энергии: чем больше период времени, тем точнее можно определить энергию (энергия и время становятся сопряженной парой Фурье).
Однако существует глубокое противоречие между исторической оценкой квантовой теорией плотности энергии вакуума во Вселенной и энергией вакуума, предсказанной космологической постоянной.
Расчетная разница плотности энергии составляет порядка 10 120 раз. Складывается консенсус в отношении того, что полученная квантовой механикой плотность энергии поля в нулевой точке не сохраняет полную энергию Вселенной и не соответствует нашему пониманию расширения Вселенной. За кулисами в физике предпринимаются интенсивные усилия, чтобы решить эту дилемму и привести ее в соответствие с расширяющейся Вселенной.
См. также
- Теория хаоса
- Термодинамика
- Принцип неопределенности
- Закон сохранения
- Сохранение массы
- Энергетический баланс подземных вод
- Законы термодинамики
- Теорема Нётер
- Основы энергетики
- Преобразование энергии
- Качество энергии
Примечания
- ↑ А.Л. Лавуазье и П.С. Лаплас, Мемуары о тепле, Académie Royale des Sciences (1780): 4-355.
- ↑ Дж. Р. фон Майер, Замечания о силах неорганической природы, Annalen der Chemie und Pharmacie 43 (1842): 233.
- ↑ В. Р. Гроув, Корреляция физических сил, 6-е изд. (Лондон, Великобритания: Longmans, Green, 1874 г.).
Ссылки
Ссылки ISBN поддерживают NWE за счет реферальных сборов
- Brown, T.M. 1965. Информационное письмо EEC-1 об эволюции энергетических концепций от Галилея до Гельмгольца. Американский журнал физики . 33: 759–765.
- Кардвелл, Д.С.Л. 1971. От Ватта до Клаузиуса: рост термодинамики в раннеиндустриальную эпоху . Лондон, Великобритания: Хайнеманн. ISBN 0435541501.
- Colding, LA 1864. К истории принципа сохранения энергии. Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 27: 56–64.
- Гольдштейн, Мартин и Ф. Инге Ф. 1993. Холодильник и Вселенная . Кембридж, Массачусетс: Гарвардский ун-т. Нажимать. ISBN 9780674753242.
- Guillen, M. 1999. Пять уравнений, которые изменили мир . Лондон, Великобритания: Абакус. ISBN 0349110646.
- Хиберт, Э.Н. 1981. Исторические корни принципа сохранения энергии . Мэдисон, Висконсин: Паб Ayer Co. ISBN 0405138806.
- Кремер, Герберт и Чарльз Киттель. 1980. Теплофизика, 2-е изд. Сан-Франциско, Калифорния: W.H. Компания Фримен. ISBN 0716710889.
- Кун, Т.С. 1957. «Сохранение энергии как пример одновременного открытия». В М. Клагетт (ред.), Критические проблемы истории науки . Мэдисон, Висконсин: Издательство Висконсинского университета.
- Ланцос, Корнелиус. 1970. Вариационные принципы механики . Торонто, Калифорния: University of Toronto Press. ISBN 0802017436.
- Мах, Э. 1872. История и корни принципов сохранения энергии . Анн-Арбор, Мичиган: University Microfilms International.
- Нолан, Питер Дж. 1996. Основы физики колледжа, 2-е изд. Дубьюк, Айова: Издательство Уильяма К. Брауна. ISBN 9780697121455.
- Окстоби, Дэвид В. и Норман Х. Нахтриб. 1996. Основы современной химии, 3-е изд. Форт-Уэрт, Техас. Издательство Saunders College. ISBN 9780030059049.
- Папино, Д. 2002. Размышление о сознании . Оксфорд, Великобритания: Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780199271153.
- Пуанкаре, Х. 1905. Наука и гипотеза . Нью-Йорк, штат Нью-Йорк: репринт Дувра, 1952. ISBN 0486602214.
- Сартон, Г. 1929. Открытие закона сохранения энергии. Исида 13: 18–49.
- Серуэй, Рэймонд А. и Джон В. Джуэтт. 2004. Физика для ученых и инженеров, 6-е изд. Бельмонт, Калифорния: Брукс/Коул. ISBN 0534408427.
- Smith, C. 1998. Наука об энергии: культурная история физики энергии в викторианской Британии . Лондон, Великобритания: Хайнеманн. ISBN 0485114313.
- Стенгер, Виктор Дж. 2000. Вневременная реальность . Амхерст, Нью-Йорк: Книги Прометея. ISBN 9781573928595.
- Типлер, Пол. 2004. Физика для ученых и инженеров: механика, колебания и волны, термодинамика, 5-е изд. Сан-Франциско, Калифорния: W.H. Фримен. ISBN 0716708094.
Форт-Уэрт, Техас. Издательство Saunders College. ISBN 9780030059049.
Сан-Франциско, Калифорния: W.H. Фримен. ISBN 0716708094.Авторы
Энциклопедия Нового Света авторов и редакторов переписали и дополнили статьи Википедии в соответствии со стандартами New World Encyclopedia . Эта статья соответствует условиям лицензии Creative Commons CC-by-sa 3.0 (CC-by-sa), которая может использоваться и распространяться с надлежащим указанием авторства. Кредит должен соответствовать условиям этой лицензии, которая может ссылаться как на Энциклопедия Нового Света участников и самоотверженных добровольных участников Фонда Викимедиа. Чтобы процитировать эту статью, щелкните здесь, чтобы просмотреть список допустимых форматов цитирования. История более ранних вкладов википедистов доступна исследователям здесь:
- Сохранение энергии история
История этой статьи с момента ее импорта в Энциклопедию Нового Света :
- История «Энергосбережения»
Примечание.
На использование отдельных изображений, которые лицензируются отдельно, могут распространяться некоторые ограничения.
Юлиус фон Майер – Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена
Юлиус фон Майер (1814-1871)
25 ноября 1814 года родился немецкий врач и физик Юлиус Роберт фон Майер . Он наиболее известен тем, что в 1841 году сформулировал одно из первоначальных утверждений о сохранении энергии или то, что сейчас известно как одна из первых версий первого закона термодинамики, а именно, что « энергия не может быть ни создана, ни уничтожена ».
«Природа поставила перед собой задачу, как уловить в полете свет, устремленный к Земле, и сохранить в твердой форме самую неуловимую из всех сил. Растения принимают одну форму силы — свет; и произвести другую силу, химическое различие».
— Юлиус Роберт фон Майер, Die organische Bewegung in ihrem Zusammenhange mit dem Stoffwechsel (1867)
Молодежь и образование
Юлиус Роберт Майер вырос в Хайльбронне и был младшим из трех сыновей фармацевта Кристиана Майера в розовой аптеке в Хайльбронне.
Он происходил из знатной семьи Хайльбронн и состоит в родстве с протестантским реформатором Филиппом Меланхтоном и философом Иоганном Рейхлином. Считается, что уже в детстве Юлиус Майер проявлял интерес к механическим механизмам и, как полагают, проводил различные физические и химические эксперименты. Юлиус Майер изучал медицину в Тюбингенском университете. В 1838 году он получил докторскую степень и Staatsexamen. Между 1837 и 1838 годами он был отстранен от университета на один год из-за участия в несанкционированном студенческом братстве и « Самовольное посещение музейного бала в неподобающей одежде ».
Судовой врач и первые физические наблюдения
После учебы Майер остался в Париже, а затем уехал корабельным врачом на голландском трехмачтовом паруснике Ява для путешествия в Джакарту. Считается, что, находясь на корабле, Майер сделал наблюдение, что волны, взгоняемые штормом, теплее, чем спокойное море, натолкнуло его на размышления о физических законах, в частности о физическом явлении теплоты и вопросе о том, является ли непосредственно вырабатываемая теплота единственной.
теплота горения), или сумма количеств теплоты, выделенной прямым и косвенным путем, должны быть учтены в процессе горения. Вернувшись в феврале 1841 г., Майер посвятил все свои силы решению этой задачи.
Поселение в Хайльбронне
1841 г. он поселился в Хайльбронне, был избран Oberamtswundarzt (Главный врач ранения). В Хайльбронне он снова встретил своего друга, учителя математики и физики Карла Вильгельма Баура, которого он впервые встретил в Париже, с которым он вел переписку с 1841 по 1844 год и который обучал его математике и механике. Майер подозревал, что теплопродукция человеческого тела уменьшается при высоких температурах, так как его физиологические наблюдения в тропиках выявили необычно ярко-красную окраску венозной крови, которую он объяснял пониженным «сжиганием» кислорода.
Первые научные усилия
В 1841 году Майер завершил свою первую научную статью под названием « О количественном и качественном определении сил », в которой он постулировал «закон сохранения силы» (имеется в виду энергия).
Поскольку он содержал фундаментальные физические ошибки, он изначально не был опубликован. Затем Майер обратил свой энтузиазм к движению. Он представил числовое значение механического эквивалента тепла. Он также был первым, кто описал жизненно важный химический процесс, который теперь называется окислением, как основной источник энергии для любого живого существа. В 1848 году он подсчитал, что при отсутствии источника энергии Солнце остынет всего за 5000 лет, и предположил, что оно остается горячим из-за ударов метеоритов.
Закон сохранения энергии
К несчастью для Джулиуса Майера, в то время его не воспринимали всерьез, и большая часть заслуг была отдана Джеймсу Джоулю. [3] Джулиус Майер был первым, кто сформулировал закон сохранения энергии, один из самых фундаментальных принципов современной физики. Закон сохранения энергии гласит, что полная механическая энергия системы остается постоянной в любой изолированной системе объектов, которые взаимодействуют друг с другом только посредством консервативных сил.
Майер впервые попытался сформулировать закон сохранения энергии в статье, отправленной Иоганну Христиану Поггендорфу.0390 Аннален дер Физик .
Однако из-за отсутствия у Майера передовой физической подготовки она содержала ряд фундаментальных ошибок и не была опубликована. Дальнейшие обсуждения с физиком Иоганном Готлибом Нёррембергом дали Майеру ряд ценных предложений о том, как эту идею можно проверить экспериментально. Например, если кинетическая энергия превращается в тепловую, вода должна нагреваться за счет вибрации. Майеру удалось провести демонстрацию и определить количественный коэффициент превращения, рассчитав механический эквивалент теплоты.
Результаты его исследований были опубликованы в 1842 году в майском выпуске Юстуса фон Либиха « Annalen der Chemie und Pharmacie». [ 9 ] Было переведено как Замечания о силах неорганической природы . Далее Майер уточнил числовое значение механического эквивалента теплоты: сначала 365 кгс·м/ккал, затем 425 кгс·м/ккал; современные значения составляют 4,184 кДж/ккал для термохимической калорийности и 4,1868 кДж/ккал для международной паровой таблицы калорий.
Подразумевается, что, хотя работа и теплота являются разными формами энергии, они могут переходить друг в друга. Этот закон называется первым законом теории калорий и привел к формулировке общего принципа сохранения энергии, окончательно сформулированного Германом фон Гельмгольцем в 1847 году.[4]
Поздние годы
Юлиус фон Майер осознавал огромную важность своего открытия, но его неспособность выражать свои мысли научно, его склонность к спекуляциям и его конфессиональная религиозность не принесли ему желаемой репутации ученого. Современные физики отвергли его теорему сохранения энергии. Даже со стороны великих физиков Германа фон Гельмгольца и Джеймса Прескотта Джоуля он испытывал недостойную неприязнь. Квалификация Майера в физических вопросах подвергалась сомнению и клевете.
После того, как двое его детей умерли в 1848 году, его нервы были полностью расшатаны. За попыткой самоубийства 18 мая 1850 г. последовало пребывание в санаториях Кенненбург недалеко от Эсслингена и Виннендена.
После освобождения он был сломленным человеком. В 1860 году он снова робко вышел на публику. Между тем, однако, его научная слава росла. Таким образом, он получил запоздалую оценку своего достижения, хотя и не мог больше наслаждаться им должным образом. Его творческий порыв пропал. Юлиус фон Майер остался дома, посвятил свои последние годы медицинской профессии и умер в 1878 году в возрасте 63 лет9.0011
Ссылки и дополнительная литература:
- [1] Джулиус Роберт Майер в Today in Science
- [2] Джулиус Роберт Майер в Британнике
- [3] Джеймс Прескотт Джоуль и природа тепла, блог SciHi
- [4] Герман фон Гельмгольц и его теория зрения, SciHi Blog
- [5] Mayer, JR (1862). «Замечания о силах неорганической природы». Философский журнал . 4. 24 (162): 371–377. дои: 10.
