Энергия работа мощность физика: Урок 13. работа. мощность. энергия. закон сохранения механической энергии — Физика — 10 класс

Работа, мощность, энергия — Физика — Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

Основные теоретические сведения

Механическая работа

К оглавлению…

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой, совершаемой постоянной силой F, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы F и перемещения S:

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.

Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (F_упр = kx).

Мощность

К оглавлению…

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность P (иногда обозначают буквой N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

По этой формуле рассчитывается средняя мощность, т.е. мощность обобщенно характеризующая процесс. Итак, работу можно выражать и через мощность: A = Pt (если конечно известна мощность и время совершения работы). Единица мощности называется ватт (Вт) или 1 джоуль за 1 секунду. Если движение равномерное, то:

По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность (мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.

КПД – коэффициент полезного действия, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:

Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.

Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).

В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:

Кинетическая энергия

К оглавлению…

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения):

То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Е_к = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.

Тело обладает энергией, если способно совершить работу. Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т.е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.

Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m стало двигаться со скоростью v необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m движется со скоростью v, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.

Потенциальная энергия

К оглавлению…

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли рассчитывается по формуле:

Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h – расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.

Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Потенциальная энергия растянутой пружины рассчитывается по формуле:

где: k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).

КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.

Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.

Закон сохранения механической энергии

К оглавлению…

Полной механической энергией называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):

Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:

Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.

Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:

1. Найти точки начального и конечного положения тела.
2. Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
3. Приравнять начальную и конечную энергию тела.
4. Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
5. Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.

Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

Разные задачи на работу

К оглавлению…

Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:

1. Работу можно найти по формуле: A = FS∙cosα. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
2. Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
3. Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A = mgh, где h – высота, на которую поднимается центр тяжести тела.
4. Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A = Pt.
5. Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.

Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения

К оглавлению…

Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:

1. Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
2. Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
3. Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
4. В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
5. Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.

При решении задач надо помнить, что:

• Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
• При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
• Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.

Неупругие соударения

К оглавлению…

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.

С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).

Абсолютно упругий удар

К оглавлению…

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.

Центральным ударом шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.

Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.

Законы сохранения. Сложные задачи

К оглавлению…

Несколько тел

В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.

Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:

1. выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
2. записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
3. учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
4. при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.

Разрыв снаряда

В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.

Столкновения с тяжёлой плитой

Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v, движется лёгкий шарик массой m со скоростью u_н. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:

Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:

Задачи о максимальных и минимальных значениях энергии сталкивающихся шаров

В задачах такого типа главное понять, что потенциальная энергия упругой деформации шаров максимальна, если кинетическая энергия их движения минимальна – это следует из закона сохранения механической энергии. Сумма кинетических энергий шаров минимальна в тот момент, когда скорости шаров будут одинаковы по величине и направлены в одном направлении. В этот момент относительная скорость шаров равна нулю, а деформация и связанная с ней потенциальная энергия максимальна.

Работа, энергия и мощность — вспоминаем физику

В текстах, публикуемых на этом сайте, часто встречаются различные термины, которые являются названиями физических величин. Многое мы изучали еще в школьном курсе физике, но знания имеют свойство забываться без постоянного употребления. В серии заметок, объединенных под общим заголовком «Вспоминаем физику» (можно было бы назвать «Снова в школу») мы постараемся напомнить вам, что означают основные термины, какие физические величины за этими терминами скрываются, как они связаны между собой, в каких величинах они измеряются. В общем, дать те основы, которые нужны для понимания публикуемых материалов.

Сайт нас в целом посвящен методам и технологиям получения энергии (конкретно, из возобновляемых источников). Энергия нужна людям для отопления и освещения собственных жилищ, для того, чтобы приводить в движение различные механизмы, которые совершают полезную для людей работу. То есть нам нужно получить в конечном итоге один из трех видов энергии — тепловую, механическую и энергию света. Как будет сказано ниже, в физике различают еще несколько видов энергии, но для нас важны в первую очередь эти три вида. Закончу с предисловиями и приведу те определения энергии, которые приняты в физике.

Работа и энергия

Еще из школьного курса физики (а школу я окончил 50 лет назад) я помню утверждение «Энергия является мерой способности физической системы совершить работу». Википедия дает менее понятное определение, утверждая, что

«Эне́ргия — скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие. Введение понятия энергии удобно тем, что в случае, если физическая система является замкнутой, то её энергия сохраняется в этой системе на протяжении времени, в течение которого система будет являться замкнутой. Это утверждение носит название закона сохранения энергии.»

Энергия является скалярной величиной, для измерения которой применяются несколько разных единиц. Нам наиболее интересны джоуль и киловатт-час.

Джо́уль (русское обозначение: Дж; международное: J) — единица измерения работы, энергии и количества теплоты в Международной системе единиц (СИ). Джоуль равен работе, совершаемой при перемещении точки приложения силы, равной одному ньютону, на расстояние одного метра в направлении действия силы. В электричестве джоуль означает работу, которую совершают силы электрического поля за 1 секунду при напряжении в 1 вольт для поддержания силы тока в 1 ампер.

Впрочем, мы не будем углубляться в основы физики, выясняя, что такое сила и что такое один ньютон, просто примем понятие «энергия» за основу и запомним, что некое количество джоулей характеризует энергию, работу и количество теплоты. Еще одной величиной, с помощью которой измеряют количество энергии, является киловатт-час.

Килова́тт-час (кВт⋅ч) — внесистемная единица измерения количества произведенной или потреблённой энергии, а также выполненной работы. Используется преимущественно для измерения потребления электроэнергии в быту, народном хозяйстве и для измерения выработки электроэнергии в электроэнергетике.

Следует заметить, что правильно писать именно «кВт⋅ч» (мощность, умноженная на время). Написание «кВт/ч» (киловатт в час), часто употребляемое во многих СМИ и даже иногда в официальных документах, неправильно. Такое обозначение соответствует изменению мощности в единицу времени (что обычно никого не интересует), но никак не количеству энергии. Столь же распространённая ошибка — использовать «киловатт» (единицу мощности) вместо «киловатт-час».

В последующих статьях мы будем использовать джоуль и киловатт-час как единицы для оценки количества энергии или работы, имея в виду, что один киловатт-час равен 3,6·10⁶ джоулей.

С точки зрения интересующих нас тем именно свойство энергии совершать работу является основополагающим. Мы не будем выяснять, как физика трактует понятие «работа», будем считать, что это понятие является первоначальным и не определяемым. Только еще раз подчеркнем, что количественно энергия и работа выражаются в одних единицах.

В зависимости от вида энергии или работы величина энергии рассчитывается разными способами:

Формы и виды энергии

Поскольку энергия, как сказано выше, является только мерой различных форм движения и взаимодействия материи, мерой перехода движения материи из одних форм в другие, различные формы энергии выделяются в соответствии с различными формами движения материи. Таким образом, в зависимости от уровня проявления, мож­но выделить следующие формы энергии:

• энергия макромира — гравитационная или энергия притяжения тел,
• энергия взаимодействия тел — механическая,
• энергия молекулярных взаимодействий — тепловая,
• энергия атомных взаимодей­ствий — химическая,
• энергия излучения — электромагнит­ная,
• энергия, заключенную в ядрах атомов, — ядерная.

Гравитационная энергия — энергия системы тел (частиц), обусловленная их взаимным гравитационным тяготением. В земных условиях, это, например, энергия, «запасенная» телом, поднятым на опреде­ленную высоту над поверхностью Земли — энергия силы тя­жести. Таким образом, энергию, запасенную в водохранилищах гидроэлектростанций, можно отнести к гравитационной энергии.

Механическая энергия — проявляется при взаимодей­ствии, движении отдельных тел или частиц. К ней относят энергию движения или вращения тела, энер­гию деформации при сгибании, растяжении, закручивании, сжатии упругих тел (пружин). Эта энергия наиболее широко используется в различных машинах — транспортных и техно­логических.

Тепловая энергия — энергия неупорядоченного (хаотичес­кого) движения и взаимодействия молекул веществ. Тепловая энергия, получаемая чаще всего при сжигании различных видов топлива, широко применяется для отопле­ния, проведения многочисленных технологических процес­сов (нагревания, плавления, сушки, выпаривания, перегон­ки и т. д.).

Химическая энергия — это энергия, «запасенная» в атомах веществ, которая высвобождается или поглощается при хими­ческих реакциях между веществами. Химическая энергия либо выделяется в виде тепловой при проведении экзотермических реакций (например, горении топлива), либо преобразуется в электрическую в гальваничес­ких элементах и аккумуляторах. Эти источники энергии ха­рактеризуются высоким КПД (до 98 %), но низкой емкостью.

Электромагнитная энергия — это энергия, порождаемая взаимодействием электрического и магнитного по­лей. Ее подразделяют на электрическую и магнитную энергии. Электрическая энергия — энергия движущихся по элек­трической цепи электронов (электрического тока).

Электромагнитная энергия проявляется также в виде электромагнит­ных волн, то есть в виде излучения, включающего видимый свет, инфракрасные, ультрафио­летовые, рентгеновские лучи и радиоволны. Таким образом, один из видов электромагнитной энергии — это энергия излучения. Излучение переносит энергию в форме энергии электромагнитной волны. Когда излучение поглощается, его энергия преобразуется в другие формы, чаще всего в теплоту.

Ядерная энергия — энергия, локализованная в ядрах ато­мов так называемых радиоактивных веществ. Она высвобож­дается при делении тяжелых ядер (ядерная реакция) или син­тезе легких ядер (термоядерная реакция).

В эту классификацию несколько не укладываются известные нам со школы понятия потенциальной и кинетической энергии. Современная физика считает, что понятия кинетической и потенциальной энергий (а также энергии диссипации) это не формы, а виды энергии:

Кинетическая энергия — энергия, которой обладают тела вследствие своего движения. Более строго, кинетическая энергия есть разность между полной энергией системы и её энергией покоя; таким образом, кинетическая энергия — часть полной энергии, обусловленная движением. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю.

Потенциальная энергия — энергия, обусловленная взаимодействием различных тел или частей одного и того же тела. Потенциальная энергия всегда определяется положением тела относительно некоторого источника силы (силового поля).

Энергия диссипации (то есть рассеяния) — переход части энергии упорядоченных процессов в энергию неупорядоченных процессов, в конечном счёте — в теплоту.

Дело в том, что каждая из перечисленных выше форм энергии может проявляться в виде потенциальной и кинетической энергии. То есть виды энергии должны трактоваться в обобщенном смысле, ибо они относятся к любой форме движения и, следовательно, к любой форме энергии. Например, имеется кинетическая электрическая энергия, и это не то же самое, что кинетическая механическая энергия. Это кинетическая энергия движения электронов, а не кинетическая энергия механического движения тела. Точно так же потенциальная электрическая энергия это не то же самое, что потенциальная механическая энергия. А химическая энергия складывается из кинетической энергии движения электронов и электрической энергии их взаимодействия друг с другом и с атомными ядрами.

Вообще, насколько я понял при подготовке этого материала, пока не существует общепринятой классификации форм и видов энергии. Впрочем, возможно нам и не нужно до конца разбираться в этих физических понятиях. Важно только помнить, что энергия — это не какая-то реальная материальная субстанция, а только мера, предназначенная для оценки перемещения некоторых форм материи или преобразования одной формы материи в другую.

С понятием энергии и работы неразрывно связано понятие мощности.

Мощность

Мо́щность — физическая величина, равная в общем случае скорости изменения, преобразования, передачи или потребления энергии системы. В более узком смысле мощность равна отношению работы, выполняемой за некоторый промежуток времени, к этому промежутку времени.

В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения мощности является ватт, равный одному джоулю, делённому на секунду.

Мощность характеризует способность того или иного устройства совершать работу или производить энергию в течение определенного промежутка времени. Связь между мощностью, энергией и временем выражается следующим соотношением:

Киловатт-час (напомним, что это единица измерения энергии) равен количеству энергии, потребляемой (производимой) устройством мощностью один киловатт (единица мощности) в течение одного часа (единица времени).

Отсюда и уже упомянутое выше равенство 1 кВт⋅ч = 1000 Вт ⋅ 3600 с = 3,6·10⁶ Дж = 3,6 МДж.

Из трех рассмотренных на этой странице единиц именно мощность представляет для нас наибольший интерес, поскольку эта величина будет нам встречаться при рассмотрении и сравнении различных ветро- или гидро-генераторов и солнечных панелей. В этих случаях мощность характеризует способность этих устройств производить энергию. И наоборот, указание мощности на многих бытовых электроприборах характеризует потребление энергии этими приборами. Если мы хотим обеспечить некоторую совокупность бытовых приборов энергией, мы должны сопоставить суммарную потребляемую этими приборами мощность с суммарной мощностью, которую можем получить от производителей энергии.

Но подробнее о мощности мы поговорим в следующих статьях, посвященных конкретным видам энергии.  И начнем с электрической энергии, рассмотрим, какими величинами характеризуется электричество и в каких единицах оно измеряется.

Работа, энергия, мощность | Физика

Работа и энергия

Если некоторая сила F будет действовать на тело на всем протяжении пути S, то мы сможем вычислить работу A, которую совершает данная сила. Работу можно найти, если силу F умножить на пройденное расстояние S: A = F * S. Единицей измерения работы является джоуль (Дж).

Работа по подъему груза → Потенциальная энергия

При подъеме какого-нибудь тела проделанная работа будет равна силе тяжести, умноженной на высоту подъема: W_H = F_G * s.

Поднимая тело на некоторую высоту, мы можем преобразовать работу в энергию. Эта энергия называется потенциальной.

Работа сил упругости → Потенциальная энергия упругости

Натягивая лук, мы совершаем работу, равную силе тяги, умноженной на расстояние, на которое была оттянута стрела: W_S = F_S * s.

Натянув лук, мы сохраним энергию. Эта энергия называется потенциальной энергией упругих сил.

Изменение ускорения → Кинетическая энергия

Если транспортное средство увеличивает скорость, это значит, что была проделана работа, направленная на создание и изменение ускорения движения: W_B = F_B * s = m * a * s.

Энергия, сохраненная в виде движения, называется кинетической.

Работа сил трения → Тепловая энергия

Когда мы перемещаем тело, то работа будет равна силе тяги, умноженной на путь: W_R = F_R * s.

Если тело перемещается по неровной поверхности, то появится трение, которое будет причиной возникновения тепла. Таким образом, силы трения совершают работу по преобразованию энергии движения в тепловую энергию.

Мощность

Мощность показывает, насколько быстро совершается работа. Поэтому мощность равна совершенной работе, деленной на время, затраченное на эту работу: P = W / t.

Мощность измеряется в ваттах (Вт).

1 Вт равен 1 Дж, деленному на 1 секунду.

Закон сохранения энергии

Энергия может превращаться из одного вида в другой и, самое главное, никакая часть энергии не может пропасть бесследно.

Возьмем обыкновенный мяч и на его примере рассмотрим, каким образом различные виды энергии и работы превращаются в другие. Для начала мяч должен упасть.

Во время падения мяч движется с определенным ускорением. Его первоначальная потенциальная энергия превратится в кинетическую энергию движения. Из-за сопротивления воздуха часть кинетической энергии перейдет во внутреннюю энергию, и следовательно, температура воздуха внутри мяча поднимется. В сумме энергия останется неизменной.

При сжатии мяча с ним будет проделан другой вид работы. Энергия движения мяча превратится в энергию сжатия.

В тот момент, когда мяч принимает первоначальную форму, энергия сжатия снова превратится в кинетическую энергию, при этом часть энергии выделится в виде тепла.

Мячик подпрыгивает, и кинетическая энергия превращается в потенциальную энергию.

Но мячик не может подпрыгнуть на первоначальную высоту, так как часть энергии уже превратилась в тепло и выделилась в воздух.

Мячик будет прыгать до тех пор, пока не остановится на земле. Энергия, которой мяч обладал в начале, превратится во внутреннюю энергию тела и затем рассеется в виде тепла в воздухе.

Если бросите с определенной высоты мяч и дождетесь пока он вернется в состояние равновесия, то вся потенциальная энергия перейдет в тепловую энергию.

Коэффициент полезного действия

Действие различных машин основано на превращении одного вида энергии в другой. Возьмем, например, автомобиль, в котором химическая энергия бензина превращается в кинетическую энергию движения. При этом возникают различные виды невостребованной энергии, например, тепловая энергия и энергия трения. Та часть первоначальной энергии, которая превратилась в нужный вид энергии, показывает продуктивность действия машины и называется коэффициентом полезного действия (КПД) машины. В обыкновенном автомобиле КПД составляет примерно 20-30 процентов.

Понятие работы в физике. Мощность. Энергия. Физика, 7 класс: уроки, тесты, задания.

Вход

Вход

Регистрация

Начало

Новости

ТОПы

Учебные заведения

Предметы

Проверочные работы

Обновления

Переменка

Поиск по сайту

Отправить отзыв

• 
  Предметы
• 
  Физика
• 
  7 класс

1. 
   

   
   Работа как физическая величина
   

   
   
   
   
   
   
   
   

2. 
   

   
   Мощность как характеристика работы
   

   
   
   
   
   
   
   
   

3. 
   

   
   Простые механизмы. Рычаг. Наклонная плоскость
   

   
   
   
   
   
   
   
   

4. 
   

   
   Подвижные и неподвижные блоки
   

   
   
   
   
   
   
   
   

5. 
   

   
   Полезная работа. Коэффициент полезного действия
   

   
   
   
   
   
   
   
   

6. 
   

   
   Энергия как физическая величина. Виды энергии
   

   
   
   
   
   
   
   
   

Отправить отзыв

Нашёл ошибку?

Сообщи нам!

Copyright © 2021 ООО ЯКласс

Контакты

Пользовательское соглашение

Задачи

Задачи к уроку 50/14

1.      Космическая ракета при старте с Земли движется вертикально вверх с ускорением a = 25 м/с². Определите вес космонавта массой m = 100 кг. Ускорение свободного падения считать равным 10 м/с².

2.      Парашютист, достигнув в затяжном прыжке скорости υ₁ = 60 м/с, раскрыл парашют, после чего его скорость за t = 2 с уменьшилась до υ₂ = 10 м/с. Чему равен вес парашютиста массой m = 70 кг во время торможения? Ускорение свободного падения считать равным 10 м/с².

3.      Самолет, двигаясь с постоянной скоростью 720 км/ч, совершает фигуру высшего пилотажа – «мертвую петлю» – радиусом 1000 м. Чему равна перегрузка летчика в верхней точке петли? (g = 10 м/с²).

Задачи д/з к уроку 48/12

1.         Во сколько раз изменится сила Всемирного тяготения, если массу одного тела увеличить в 3 раза, а другого уменьшить в 9 раз?

2.         Во сколько раз изменится сила Всемирного тяготения, если расстояние между телами уменьшить в 5 раз?

3.         С каким ускорением всплывает тело массой 25 кг, если на него действует сила Архимеда 300 Н?

Задачи д/з к уроку 60  

1. Почему невозможно, из положения сидя прямо на стуле, встать на ноги, не наклонившись предварительно вперед?

2. Почему однородный прямоугольный кирпич можно положить на край стола, только если с края стола свисает не более половины длины кирпича?

3. Почему вы вынуждены отклоняться назад, когда несете в руках тяжелый груз?

Задачи д/з к уроку 58/7 

1. Какова средняя сила давления F на плечо при стрельбе из автомата, если масса пули m = 10 г, а скорость пули при вылете из канала ствола v = 300 м/с? Автомат делает 300 выстрелов в минуту.

2. Для проведения огневых испытаний жидкостный ракетный двигатель закрепили на стенде. С какой силой он действует на стенд, если скорость истечения продуктов сгорания из сопла 150 м/с, а расход топлива за 5 секунд составил 30 кг?

3. Ракета массой 1000 кг неподвижно зависла над поверхностью земли. Сколько топлива в единицу времени сжигает ракета, если скорость истечения продуктов сгорания из ракеты равна 2 км/с?

Механическая работа — определение, формула, виды, свойства

Для нас привычно понятие «работа» в бытовом смысле. Работая, мы совершаем какое-либо действие, чаще всего полезное. В физике (если точнее, то в механике) термин «работа» показывает, какую силу в результате действия приложили, и на какое расстояние тело в результате действия этой силы переместилось.

Например, нам нужно поднять велосипед по лестнице в квартиру. Тогда работа будет определяться тем, сколько весит велосипед и на каком этаже (на какой высоте) находится квартира.

Механическая работа — это физическая величина, прямо пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути.

Чтобы рассчитать работу, нам необходимо умножить численное значение приложенной к телу силы F на путь, пройденный телом в направлении действия силы S. Работа обозначается латинской буквой А.

Если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа в 1 джоуль.

Поскольку сила и путь — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает вид.

Числовое значение работы может становиться отрицательным, если вектор силы противоположен вектору скорости. Иными словами, сила может не только придавать телу скорость для совершения движения, но и препятствовать уже совершаемому перемещению. В таком случае сила называется противодействующей.

Для совершения работы необходимы два условия:

• чтобы на тело действовала сила,
• чтобы происходило перемещение тела.

Сила, действующая на тело, может и не совершать работу. Например, если кто-то безуспешно пытается сдвинуть с места тяжелый шкаф. Сила, с которой человек действует на шкаф, не совершает работу, поскольку перемещение шкафа равно нулю.

Запомнить!

Работа равна нулю, если при приложенной силе перемещение отсутствует.

Полезная и затраченная работа

Был такой мифологический персонаж у древних греков — Сизиф. За то, что он обманул богов, те приговорили его после смерти вечно таскать огромный булыжник вверх по горе, откуда этот булыжник скатывался — и так без конца. В общем, Сизиф делал совершенно бесполезное дело с нулевым КПД. Поэтому бесполезную работу и называют «сизифов труд».

Чтобы разобраться в понятиях полезной и затраченной работы, давайте пофантазируем и представим, что Сизифа помиловали и камень больше не скатывается с горы, а КПД перестал быть нулевым.

Полезная работа в этом случае равна потенциальной энергии, приобретенной булыжником. Потенциальная энергия, в свою очередь, прямо пропорциональна высоте: чем выше расположено тело, тем больше его потенциальная энергия. Выходит, чем выше Сизиф прикатил камень, тем больше полезная работа.

Затраченная работа в нашем примере — это механическая работа Сизифа. Механическая работа зависит от приложенной силы и пути, на протяжении которого эта сила была приложена.

И как же достоверно определить, какая работа полезная, а какая затраченная?

Все очень просто! Задаем два вопроса:

1. За счет чего происходит процесс?
2. Ради какого результата?

В примере выше процесс происходит ради того, чтобы тело поднялось на какую-то высоту, а значит — приобрело потенциальную энергию (для физики это синонимы).

Происходит процесс за счет энергии, затраченной Сизифом — вот и затраченная работа.

Мощность

На заводах по всему миру большинство задач выполняют машины. Например, если нам нужно закрыть крышечками тысячу банок колы, аппарат сделает это в считанные минуты. У человека эта задача заняла бы намного больше времени. Получается, что машина и человек выполняют одинаковую работу за разные промежутки времени. Для того, чтобы описать скорость выполнения работы, нам потребуется понятие мощности.

Мощностью называется физическая величина, равная отношению работы ко времени ее выполнения.

Один ватт — это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду.

Также для мощности справедлива другая формула:

Как и для работы, для мощности справедливо правило знаков: если векторы направлены противоположно, значение мощности будет отрицательным.

Поскольку сила и скорость — векторные величины, в случае наличия между ними угла формула принимает следующий вид:

Примеры решения задач

Задача 1

Ложка медленно тонет в большой банке меда. На нее действуют сила тяжести, сила вязкого трения и выталкивающая сила. Какая из этих сил при движении тела совершает положительную работу? Выберите правильный ответ:

1. Выталкивающая сила.
2. Сила вязкого трения.
3. Сила тяжести.
4. Ни одна из перечисленных сил.

Решение

Поскольку ложка падает вниз, перемещение направлено вниз. В ту же сторону, что и перемещение, направлена только сила тяжести. Это значит, что она совершает положительную работу.

Ответ: 3.

Задача 2

Ящик тянут по земле за веревку по горизонтальной окружности длиной L = 40 м с постоянной по модулю скоростью. Модуль силы трения, действующей на ящик со стороны земли, равен 80 H. Чему равна работа силы тяги за один оборот?

Решение

Поскольку ящик тянут с постоянной по модулю скоростью, его кинетическая энергия не меняется. Вся энергия, которая расходуется на работу силы трения, должна поступать в систему за счет работы силы тяги. Отсюда находим работу силы тяги за один оборот:

Ответ: 3200 Дж.

Задача 3

Тело массой 2 кг под действием силы F перемещается вверх по наклонной плоскости на расстояние l = 5 м. Расстояние тела от поверхности Земли при этом увеличивается на 3 метра. Вектор силы F направлен параллельно наклонной плоскости, модуль силы F равен 30 Н. Какую работу при этом перемещении в системе отсчета, связанной с наклонной плоскостью, совершила сила F?

Решение

В данном случае нас просят найти работу силы F, совершенную при перемещении тела по наклонной плоскости. Это значит, что нас интересуют сила F и пройденный путь. Если бы нас спрашивали про работу силы тяжести, мы бы считали через силу тяжести и высоту.

Работа силы определяется как скалярное произведение вектора силы и вектора перемещения тела. Следовательно:

A = Fl = 30 * 5 = 150 Дж

Ответ: 150 Дж.

Задача 4

Тело движется вдоль оси ОХ под действием силы F = 2 Н, направленной вдоль этой оси. На рисунке приведен график зависимости проекции скорости v^x тела на эту ось от времени t. Какую мощность развивает эта сила в момент времени t = 3 с?

Решение

На графике видно, что проекция скорости тела в момент времени 3 секунды равна 5 м/с.

Мощность можно найти по формуле N = Fv.

N = FV = 2×5 = 10 Вт

Ответ: 10 Вт.

Работа. Мощность. Энергия

Второй закон Ньютона в импульсной форме позволяет нам
установить, как изменяется модуль и направление скорости тела при действии на
него силы в течение некоторого промежутка времени. Но изменение скорости тела
возможно только тогда, когда проекция силы на направление перемещения отлична
от нуля. Именно эта проекция определяет действие силы, изменяющей скорость тела
по модулю. Говорят, что она совершает механическую работу.

Механическая работа — это скалярная физическая величина,
которая характеризует процесс перемещения тела под действием силы и равна
произведению проекции силы на модуль перемещения:

Работа постоянной силы равна произведению модуля этой силы
на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

Из записанной формулы следует, что процесс совершения работы
возможен только при наличии силы, приложенной к телу, и перемещения тела под
действием этой силы.

Несмотря на то, что в общем случае перемещения разных точек
твёрдого тела различны, при определении работы мы под перемещением будем
понимать перемещение точки приложения силы.

Единицей измерения работы в СИ служит джоуль. Она названа в
честь английского учёного Джеймса Прескотта Джоуля, который впервые обосновал
эквивалентность работы и теплоты.

Один джоуль — это работа, совершаемая силой один ньютон при
перемещении тела на один метр в направлении действия этой силы:

Часто в качестве единицы работы используются дольные и кратные
единицы джоуля:

Из формулы для работы также видно, что в случае, когда угол
между направлением вектора силы и вектора перемещения острый, то работа этой силы
считается положительной. Если вектор силы и вектор перемещения составляют между
собой тупой угол, то значение косинуса этого угла будет меньше нуля. Значит, и
работа этой силы будет отрицательна. И наконец, если вектор силы
перпендикулярен вектору перемещения, то работа не совершается (точнее сказать,
работа этой силы равна нулю).

Для примера давайте с вами определим работу силы, под
действием которой тело перемещается на 10 м. Сила направлена под углом 60^о
к горизонту, а её модуль равен 10 Н.

В случае, когда на движущееся тело действует несколько сил одновременно,
каждая из них будет совершать работу. А общая работа будет равна алгебраической
сумме работ, совершаемых отдельными силами (или говорят, равна работе
равнодействующей силы).

Механическую работу можно представить в виде графика зависимости
проекции силы от координаты тела. Для примера рассмотрим движение тела вдоль
оси ОХ под действием постоянной силы. Очевидно, что в этом случае
проекция силы на ось Х также будет постоянной. Поэтому её графиком будет
прямая линия, параллельная оси координат тела. А работа этой силы численно
равна площади закрашенного прямоугольника.

Если же сила изменяется в процессе движения, то её работу
можно представить как произведение средней силы на модуль перемещения. В
частности, если сила меняется линейно на данном перемещении, то её работа равна
площади заштрихованной трапеции.

Отметим ещё и тот факт, что механическая работа зависит от
выбора системы отсчёта. Для примера представьте, что вы находитесь в кабине
вертолёта, который заходит на посадку. Совершает ли работу действующая на вас
сила тяжести? Если систему отсчёта связать с вертолётом, то нет, так как
относительно него вы не двигаетесь. Однако в системе отсчёта, связанной с
Землёй, вы движетесь, и поэтому сила тяжести будет совершать положительную работу.

Быстроту совершения работы характеризует физическая величина,
называемая мощностью. Она равна отношению работы к промежутку времени, в
течение которого эта работа была совершена:

Единицей мощности в СИ является ватт, названная в честь
изобретателя универсального парового двигателя Джеймса Уатта

Один ватт — это мощность, при которой работа в один джоуль
совершается за одну секунду.

Широко используются и кратные единицы мощности:

А, например, мощность автомобильных двигателей до сих пор
указывают во внесистемной единице — лошадиных силах (1 л. с. = 736 Вт).

Но вернёмся к формуле для определения мощности и подставим в
неё выражение для работы:

Если учесть, что отношение модуля перемещения к промежутку
времени, за который оно произошло, — это модуль скорости тела, то для
постоянной силы и скорости мощность равна произведению модуля вектора силы
на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов.

В заключение урока отметим, что если система тел может
совершить работу, то говорят, что она обладает механической энергией
или просто энергией.

Механическая энергия — это физическая величина, являющаяся
функцией состояния системы и характеризующая её способность совершать работу.

Совершая работу, тело или система тел переходят из одного
состояния в другое, в котором их энергия минимальна. Например, поднятый над
Землёй груз падает на её поверхность под действием силы притяжения к Земле.

Сжатая или растянутая пружина возвращается в
недеформированное состояние под действием сил упругости. А движущееся тело со
временем останавливается из-за действия сил трения. При этом во всех случаях
изменение механической энергии равно работе приложенных к системе внешних сил.

Мощность

Количественная работа связана с силой, вызывающей смещение. Работа не имеет ничего общего с количеством времени, в течение которого эта сила вызывает смещение. Иногда работа выполняется очень быстро, а иногда — довольно медленно. Например, скалолазу требуется ненормально много времени, чтобы поднять свое тело на несколько метров вдоль скалы. С другой стороны, турист (который выберет более легкий путь в гору) может поднять свое тело на несколько метров за короткий промежуток времени.Эти два человека могут выполнять одинаковый объем работы, но путешественник выполняет ее значительно быстрее, чем скалолаз. Величина, связанная со скоростью выполнения определенного объема работы, называется мощностью. У туриста номинальная мощность выше, чем у скалолаза.

Мощность — это скорость выполнения работы. Это соотношение работы / времени. Математически это вычисляется с использованием следующего уравнения.

Мощность = Работа / время

или

P = Вт / т

Стандартная метрическая единица измерения мощности — Вт .Как следует из уравнения мощности, единица мощности эквивалентна единице работы, деленной на единицу времени. Таким образом, ватт эквивалентен джоулям в секунду. По историческим причинам лошадиных сил иногда используется для описания мощности, выдаваемой машиной. Одна лошадиная сила эквивалентна примерно 750 Вт.

Большинство машин спроектировано и построено для работы с объектами. Все машины обычно характеризуются номинальной мощностью.Номинальная мощность указывает скорость, с которой эта машина может работать с другими объектами. Таким образом, мощность машины — это соотношение работы / времени для этой конкретной машины. Автомобильный двигатель — это пример машины, которой задана номинальная мощность. Номинальная мощность относится к тому, насколько быстро автомобиль может разгонять автомобиль. Предположим, что двигатель мощностью 40 лошадиных сил может разогнать автомобиль от 0 миль / час до 60 миль / час за 16 секунд. Если бы это было так, то автомобиль с четырехкратной мощностью в лошадиных силах мог бы выполнять такой же объем работы за четверть времени.То есть 160-сильный двигатель мог разогнать тот же автомобиль с 0 миль / час до 60 миль / час за 4 секунды. Дело в том, что при одинаковом объеме работы мощность и время обратно пропорциональны. Уравнение мощности предполагает, что более мощный двигатель может выполнять такой же объем работы за меньшее время.

Человек — это также машина с номинальной мощностью . Некоторые люди более властны, чем другие. То есть некоторые люди способны выполнять тот же объем работы за меньшее время или больше за то же время.Обычная физическая лаборатория включает в себя быстрый подъем по лестнице и использование информации о массе, росте и времени для определения личных возможностей ученика. Несмотря на диагональное движение по лестнице, часто предполагается, что горизонтальное движение является постоянным, и вся сила от ступенек используется для подъема ученика вверх с постоянной скоростью. Таким образом, вес ученика равен силе, которая действует на ученика, а высота лестницы — это смещение вверх. Предположим, что Бен Пумпинирон поднимает свое 80-килограммовое тело на 2.0-метровый подъезд за 1,8 секунды. Если бы это было так, то мы могли бы вычислить номинальную мощность Бена . Можно предположить, что Бен должен приложить к лестнице нисходящую силу 800 Ньютон, чтобы поднять свое тело. Поступая таким образом, лестница толкала тело Бена вверх с достаточной силой, чтобы поднять его тело вверх по лестнице. Также можно предположить, что угол между силой лестницы на Бена и смещением Бена равен 0 градусов. Используя эти два приближения, можно определить номинальную мощность Бена, как показано ниже.

Номинальная мощность Бена — 871 Вт. Он вполне себе лошадка .

Другая формула мощности

Выражение для мощности — работа / время. А поскольку выражение для работы — это сила * смещение, выражение для мощности можно переписать как (сила * смещение) / время. Поскольку выражение для скорости — это смещение / время, выражение для мощности можно еще раз переписать как «сила * скорость».Это показано ниже.

Это новое уравнение мощности показывает, что мощная машина одновременно сильна (большая сила) и быстра (большая скорость). Мощный автомобильный двигатель — сильный и быстрый. Мощная сельскохозяйственная техника — прочная и быстрая. Сильный тяжелоатлет силен и быстр. Сильный лайнсмен футбольной команды силен и быстр. Машина , достаточно сильная, чтобы приложить большую силу, чтобы вызвать смещение за небольшой промежуток времени (т.е.е., большая скорость) — машина мощная.

Проверьте свое понимание

Используйте свое понимание работы и власти, чтобы ответить на следующие вопросы. По завершении нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Два студента-физика, Уилл Н. Эндейбл и Бен Пумпинирон, в зале тяжелой атлетики. Уилл поднимает 100-фунтовую штангу над головой 10 раз за одну минуту; Бен поднимает 100-фунтовую штангу над головой 10 раз за 10 секунд.Какой студент больше всего работает? ______________ Какой ученик дает больше всего энергии? ______________ Объясните свои ответы.

2. В физической лаборатории Джек и Джилл взбежали на холм. Джек вдвое массивнее Джилл; тем не менее, Джилл преодолевает то же расстояние за половину времени. Кто работал больше всего? ______________ Кто доставил больше всего энергии? ______________ Объясните свои ответы.

3. Уставшая белка (масса около 1 кг) отжимается, прикладывая силу, поднимающую ее центр масс на 5 см, чтобы выполнить работу всего на 0,50 Дж. Если уставшая белка проделает всю эту работу за 2 секунды, то определите ее мощность.

4. При выполнении подтягивания студентка-физик поднимает ее 42.0-кг тело на дистанцию ​​0,25 метра за 2 секунды. Какую силу развивают бицепсы ученика?

5. Ежемесячный счет за электроэнергию в вашей семье часто выражается в киловатт-часах. Один киловатт-час — это количество энергии, доставленное потоком 1 киловатт электроэнергии за один час. Используйте коэффициенты преобразования, чтобы показать, сколько джоулей энергии вы получаете, покупая 1 киловатт-час электроэнергии.

6. Эскалатор используется для перемещения 20 пассажиров каждую минуту с первого этажа универмага на второй. Второй этаж расположен на высоте 5,20 метра над первым этажом. Средняя масса пассажира — 54,9 кг. Определите требуемую мощность эскалатора, чтобы переместить это количество пассажиров за это время.

Механическая энергия

В предыдущей части Урока 1 было сказано, что работа выполняется над объектом всякий раз, когда на него действует сила, заставляющая его смещаться.Работа включает в себя силу, действующую на объект, вызывающую смещение. Во всех случаях, когда выполняется работа, есть объект, который обеспечивает силу для выполнения работы. Если книгу World Civilization поднять на верхнюю полку шкафчика студента, тогда студент предоставит силы для работы с книгой. Если плуг перемещается по полю, то какое-либо сельскохозяйственное оборудование (обычно трактор или лошадь) дает силу для работы на плуге. Если питчер разворачивается и ускоряет бейсбольный мяч по направлению к своей тарелке, то питчер предоставляет силу для выполнения работы с бейсбольным мячом.Если автомобиль с американскими горками перемещается с уровня земли на вершину первого падения американских горок, то цепь, приводимая в движение двигателем, обеспечивает силу, необходимую для работы с автомобилем. Если штанга перемещается с уровня земли на высоту над головой штангиста, то штангист прилагает усилия для выполнения работы со штангой. Во всех случаях объект, обладающий некоторой формой энергии, обеспечивает силу для выполнения работы. В описанных здесь случаях объекты, выполняющие работу (ученик, трактор, кувшин, двигатель / цепь), обладают химической потенциальной энергией , хранящейся в пище или топливе, которая превращается в работу.В процессе выполнения работы объект, выполняющий работу, обменивается энергией с объектом, над которым выполняется работа. Когда над объектом выполняется работа, этот объект получает энергию. Энергия, приобретаемая объектами, над которыми выполняется работа, известна как , механическая энергия .

Механическая энергия — это энергия, которой обладает объект в результате его движения или положения. Механическая энергия может быть кинетической (энергия движения) или потенциальной энергией (запасенная энергия положения).Объекты обладают механической энергией, если они находятся в движении и / или если они находятся в некотором положении относительно позиции нулевой потенциальной энергии (например, кирпич, удерживаемый в вертикальном положении над землей или в позиции нулевой высоты). Движущийся автомобиль обладает механической энергией за счет своего движения (кинетическая энергия). Движущийся бейсбольный мяч обладает механической энергией благодаря своей высокой скорости (кинетическая энергия) и вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации). Книга Мировой цивилизации, покоящаяся на верхней полке шкафчика, обладает механической энергией благодаря своему вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации).Штанга, поднятая высоко над головой штангиста, обладает механической энергией благодаря своему вертикальному положению над землей (потенциальная энергия гравитации). Натянутый лук обладает механической энергией из-за своего растянутого положения (упругая потенциальная энергия).

Механическая энергия как способность выполнять работу

Объект, обладающий механической энергией, способен совершать работу. Фактически, механическая энергия часто определяется как способность выполнять работу.Любой объект, обладающий механической энергией — будь то в форме потенциальной или кинетической энергии — способен выполнять работу. То есть его механическая энергия позволяет этому объекту приложить силу к другому объекту, чтобы вызвать его смещение.

Можно привести множество примеров того, как объект с механической энергией может использовать эту энергию, чтобы применить силу, чтобы вызвать смещение другого объекта. Классический пример — это огромный шар, разрушающий машину для сноса зданий.Мяч для разрушения представляет собой массивный объект, который отклоняется назад в высокое положение и позволяет ему качаться вперед в строительную конструкцию или другой объект, чтобы разрушить его. При ударе о конструкцию разрушающий шар прикладывает к нему силу, чтобы вызвать смещение стены конструкции. На схеме ниже изображен процесс, с помощью которого механическая энергия разрушающего шара может быть использована для выполнения работы.

Молоток — это инструмент, использующий механическую энергию для выполнения работы.Механическая энергия молотка дает ему возможность приложить силу к гвоздю, чтобы вызвать его смещение. Поскольку молоток обладает механической энергией (в виде кинетической энергии), он способен воздействовать на гвоздь. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Другой пример, показывающий, как механическая энергия — это способность объекта выполнять работу, можно увидеть в любой вечер в вашем местном боулинг-клубе. Механическая энергия шара для боулинга дает ему возможность прикладывать силу к кегле для боулинга, чтобы заставить его сместиться.Поскольку массивный шар обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он может работать со штифтом. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Дротик — еще один пример того, как механическая энергия одного объекта может воздействовать на другой объект. Когда дротик заряжен и пружины сжаты, он обладает механической энергией. Механическая энергия сжатых пружин дает им возможность прикладывать силу к дротику, чтобы вызвать его смещение.Поскольку пружины обладают механической энергией (в форме упругой потенциальной энергии), они способны работать над дротиком. Механическая энергия — это способность выполнять работу.

Обычная сцена в некоторых частях сельской местности — это «ветряная электростанция». Высокоскоростной ветер используется для работы с лопастями турбины на так называемой ветряной электростанции. Механическая энергия движущегося воздуха дает частицам воздуха возможность прикладывать силу и вызывать смещение лопастей.Когда лопасти вращаются, их энергия впоследствии преобразуется в электрическую энергию (немеханическую форму энергии) и подается в дома и промышленные предприятия для работы электрических приборов. Поскольку движущийся ветер обладает механической энергией (в форме кинетической энергии), он может работать с лопастями. Еще раз, механическая энергия — это способность совершать работу.

Общая механическая энергия

Как уже упоминалось, механическая энергия объекта может быть результатом его движения (т.е., кинетическая энергия) и / или результат накопленной энергии положения (т. е. потенциальная энергия). Общее количество механической энергии — это просто сумма потенциальной энергии и кинетической энергии. Эта сумма просто называется полной механической энергией (сокращенно TME).

TME = PE + KE

Как обсуждалось ранее, в нашем курсе обсуждаются две формы потенциальной энергии — гравитационная потенциальная энергия и упругая потенциальная энергия. Учитывая этот факт, приведенное выше уравнение можно переписать:

TME = PE _грав + PE _{пружина} + KE

На приведенной ниже диаграмме изображено движение Ли Бена Фардеста (уважаемого американского прыгуна с трамплина), когда он спускается с холма и делает один из своих рекордных прыжков.

Полная механическая энергия Ли Бена Фардеста — это сумма потенциальной и кинетической энергии. Сумма двух форм энергии составляет 50 000 Джоулей. Также обратите внимание, что общая механическая энергия Ли Бена Фардеста является постоянной величиной на протяжении всего его движения. Существуют условия, при которых общая механическая энергия будет постоянной величиной, и условия, при которых она будет изменяться. Это тема Урока 2 — отношения работы и энергии.На данный момент просто запомните, что полная механическая энергия — это энергия, которой обладает объект из-за его движения или его накопленной энергии положения . Общее количество механической энергии — это просто сумма этих двух форм энергии. И, наконец, объект с механической энергией может работать с другим объектом.

9.1 Работа, мощность и теорема работы – энергии — Физика

Задачи обучения раздела

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Опишите и примените теорему работа – энергия
• Опишите и рассчитайте работу и мощность

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим ученикам овладеть следующими стандартами:

• (6) Научные концепции.Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и количества движения. Ожидается, что студент:
  • (А)
    описать и применить теорему работа – энергия;
  • (С)
    описать и рассчитать работу и мощность.

Кроме того, в Руководстве по физике средней школы рассматриваются следующие стандарты:

• (6) Научные концепции. Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и количества движения.Ожидается, что студент:
  • (С)
    вычислить механическую энергию, мощность, генерируемую внутри, импульс и импульс физической системы.

Используйте лабораторную работу под названием «Работа и энергия» в качестве дополнения к содержанию этого раздела.

Раздел Основные термины

Поддержка учителей

Поддержка учителей

В этом разделе учащиеся узнают, как работа определяет изменения кинетической энергии, а мощность — это скорость, с которой выполняется работа.

[BL] [OL] Пересмотрите понимание массы, скорости и ускорения под действием силы тяжести. Дайте общие определения слов потенциал и кинетический .

[AL] [AL] Напомните учащимся уравнение W = PEe = fmgW = PEe = fmg. Обратите внимание на то, что ускорение свободного падения является постоянным, поэтому PE _e , возникающее в результате работы, выполняемой под действием силы тяжести, также будет постоянным. Сравните это с ускорением из-за других сил, таких как задействование мышц для подъема камня, которое может быть непостоянным.

Теорема работы – энергии

В физике термин работа имеет очень конкретное определение. Работа — это приложение силы ff для перемещения объекта на расстояние d в направлении приложения силы. Работа, W , описывается уравнением

Некоторые вещи, которые мы обычно считаем работой, не работают в научном смысле этого слова. Рассмотрим несколько примеров. Подумайте, почему каждое из следующих утверждений верно.

• Домашнее задание — это не работа.
• Подъем камня вверх от земли — это работы.
• Перенести камень по лужайке с постоянной скоростью по прямой — это не работа.

Первые два примера довольно просты. Домашнее задание — это не работа, потому что предметы не перемещаются на расстояние. Поднять камень над землей — это работа, потому что камень движется в направлении приложения силы. Последний пример менее очевиден. Вспомните из законов движения, что сила , а не , необходимая для перемещения объекта с постоянной скоростью.Следовательно, хотя может быть приложена некоторая сила, чтобы удерживать камень от земли, результирующая сила не применяется, чтобы камень двигался вперед с постоянной скоростью.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

[BL] [OL] Объясните: когда эта теорема применяется к объекту, который сначала находится в состоянии покоя, а затем ускоряется, член 12mv1212mv12 равен нулю.

[OL] [AL] Работа измеряется в джоулях и W = fdW = fd. Сила измеряется в ньютонах, а расстояние в метрах, поэтому джоули эквивалентны ньютон-метрам (Н⋅м) (Н⋅м)

Работа и энергия тесно связаны.Когда вы работаете над перемещением объекта, вы изменяете его энергию. Вы (или объект) также тратите энергию на выполнение работы. Фактически, энергию можно определить как способность выполнять работу. Энергия может принимать самые разные формы, и одна форма энергии может трансформироваться в другую. В этой главе мы будем иметь дело с механической энергией, которая бывает двух видов: кинетическая энергия и потенциальная энергия.

• Кинетическая энергия также называется энергией движения. Движущийся объект обладает кинетической энергией.
• Потенциальная энергия, иногда называемая накопленной энергией, бывает нескольких форм.Гравитационная потенциальная энергия — это запасенная энергия, которую объект имеет в результате его положения над поверхностью Земли (или другим объектом в космосе). Американские горки на вершине холма обладают потенциальной гравитационной энергией.

Давайте посмотрим, как работа с объектом меняет его энергию. Если мы приложим силу, чтобы оторвать камень от земли, мы увеличим потенциальную энергию камня, PE . Если мы уроним камень, сила тяжести увеличит кинетическую энергию камня, поскольку камень движется вниз, пока не упадет на землю.

Сила, которую мы прикладываем для подъема камня, равна ее весу, w , что равно ее массе, m , умноженной на ускорение свободного падения g .

Работа, которую мы выполняем с камнем, равна силе, которую мы прикладываем, умноженной на расстояние, d , на которое мы поднимаем камень. Работа, которую мы выполняем с камнем, также равна увеличению гравитационной потенциальной энергии горной породы: PE _e .

Кинетическая энергия зависит от массы объекта и его скорости, v .

Когда мы роняем камень, сила тяжести заставляет камень падать, передавая ему кинетическую энергию. Когда работа, выполняемая над объектом, увеличивает только его кинетическую энергию, тогда чистая работа равна изменению значения величины 12mv212mv2. Это утверждение теоремы работы – энергии, которая математически выражается как

W = ΔKE = 12 мв22−12 мв12. W = ΔKE = 12 мв22−12 мв12.

Нижние индексы ₂ и ₁ указывают конечную и начальную скорость соответственно.Эта теорема была предложена и успешно проверена Джеймсом Джоулем, показанная на рис. 9.2.

Имя Джоуль звучит знакомо? Джоуль (Дж) — это метрическая единица измерения работы и энергии. Измерение работы и энергии с помощью одной и той же единицы усиливает идею о том, что работа и энергия взаимосвязаны и могут быть преобразованы друг в друга. 1,0 Дж = 1,0 Н ∙ м, единицы силы, умноженные на расстояние. 1,0 Н = 1,0 к ∙ м / с ² , поэтому 1,0 Дж = 1,0 к ∙ м ² / с ² .Анализ единиц члена (1/2) м v ² даст те же единицы для джоулей.

Рис. 9.2 Джоуль назван в честь физика Джеймса Джоуля (1818–1889). (C.H. Jeens, Wikimedia Commons)

Watch Physics

Work and Energy

В этом видео объясняется теорема рабочей энергии и обсуждается, как работа, проделанная над объектом, увеличивает KE объекта.

Проверка захвата

Верно или неверно. Увеличение энергии объекта, на которое действует только сила гравитации, равно произведению веса объекта и расстояния, на которое объект падает.

1. Истинно
2. Ложь

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Повторите информацию о кинетической и потенциальной энергии, рассмотренную ранее в этом разделе. Попросите учащихся различать и понимать два способа увеличения энергии объекта (1) применение горизонтальной силы для увеличения KE и (2) применение вертикальной силы для увеличения PE.

Расчеты, связанные с работой и мощностью

В приложениях, связанных с работой, нас часто интересует, насколько быстро она выполняется.Например, при проектировании американских горок важным фактором является время, необходимое для подъема автомобиля американских горок на вершину первого холма. Полчаса восхождения наверняка вызовут раздражение гонщиков и снизят продажи билетов. Давайте посмотрим, как рассчитать время, необходимое для выполнения работы.

Напомним, что ставка может использоваться для описания количества, например работы, за период времени. Мощность — это скорость выполнения работы. В данном случае ставка означает за единицу времени .Мощность рассчитывается путем деления проделанной работы на время, затраченное на выполнение работы.

Давайте рассмотрим пример, который поможет проиллюстрировать разницу между работой, силой и властью. Предположим, что женщина на рис. 9.3, поднимающая телевизор с помощью шкива, переносит телевизор на четвертый этаж за две минуты, а мужчине, несущему телевизор вверх по лестнице, требуется пять минут, чтобы добраться до того же места. Они проделали одинаковый объем работы (fd) (fd) на телевизоре, потому что они переместили одну и ту же массу на одно и то же расстояние по вертикали, что требует того же количества направленной вверх силы.Однако женщина, использующая шкив, вырабатывала больше энергии. Это связано с тем, что она выполнила работу в более короткие сроки, поэтому знаменатель формулы мощности, т , меньше. (Для простоты оставим пока в стороне тот факт, что человек, поднимающийся по лестнице, тоже поработал над собой.)

Рис. 9.3 Независимо от того, как вы переместите телевизор на четвертый этаж, объем выполняемой работы и потенциальный выигрыш энергии будут одинаковыми.

Мощность может быть выражена в ваттах (Вт).Этот блок можно использовать для измерения мощности, связанной с любым видом энергии или работы. Скорее всего, вы слышали термин, используемый в отношении электрических устройств, особенно лампочек. Умножение мощности на время дает количество энергии. Электроэнергия продается в киловатт-часах, потому что это количество потребляемой электроэнергии.

Блок ватт был назван в честь Джеймса Ватта (1736–1819) (см. Рисунок 9.4). Он был шотландским инженером и изобретателем, который открыл, как получить больше энергии от паровых двигателей.

Рисунок 9.4 Думает ли Джеймс Ватт о ваттах? (Карл Фредерик фон Бреда, Wikimedia Commons)

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL] [OL] Просмотрите концепцию, согласно которой работа изменяет энергию объекта или системы. Просмотрите единицы работы, энергии, силы и расстояния. Используйте уравнения для механической энергии и работы, чтобы показать, что есть работа, а что нет. Объясните, почему держать что-то над землей или переносить что-то по ровной поверхности не работает в научном смысле.

[OL] Попросите студентов использовать уравнения механической энергии, чтобы объяснить, почему каждое из них работает или не работает. Попросите их привести больше примеров, пока они не поймут разницу между научным термином работа и задачей, которая просто трудна, но не работает буквально (в научном смысле).

[BL] [OL] Подчеркните, что мощность — это скорость, и эта скорость означает «в единицу времени». В метрической системе это обычно секунды. Завершите раздел разъяснением любых неправильных представлений о различиях между силой, работой и властью.

[AL] Объясните взаимосвязь между единицами силы, работы и мощности. Если W = fdW = fd и работа может быть выражена в Дж, тогда P = Wt = fdtP = Wt = fdt, поэтому мощность может быть выражена в единицах N⋅msN⋅ms

Также объясните, что мы покупаем электроэнергию в киловатт-часах, потому что, когда мощность умножается на время, единицы времени отменяются, что оставляет работу или энергию.

Ссылки на физику

Паровой двигатель Ватта

Джеймс Ватт не изобретал паровой двигатель, но к тому времени, когда он закончил возиться с ним, он стал более полезным.Первые паровые машины были не только неэффективными, они только совершали возвратно-поступательное или возвратно-поступательное движение. Это было естественно, потому что поршни перемещаются внутрь и наружу при изменении давления в камере. Это ограничение было приемлемым для простых задач, таких как перекачка воды или пюре из картофеля, но не сработало для движения поезда. Ватт смог построить паровую машину, которая преобразовывала возвратно-поступательное движение в круговое. С этим единственным нововведением промышленная революция началась. Мир никогда не будет прежним.Одна из паровых машин Ватта показана на рис. 9.5. Видео, которое следует за рисунком, объясняет важность паровой машины в промышленной революции.

Рис. 9.5. Поздняя версия паровой машины Ватта. (Нехемия Хокинс, Wikimedia Commons)

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Начните обсуждение исторического значения внезапного увеличения количества электроэнергии, доступной для промышленности и транспорта. Попросите учащихся учесть тот факт, что скорость передвижения увеличилась примерно в десять раз.Не менее велики были изменения в способах производства товаров. Спросите студентов, как, по их мнению, произошедшие изменения в образе жизни по сравнению с недавними изменениями, вызванными такими инновациями, как авиаперелеты и Интернет.

Watch Physics

Роль Ватта в промышленной революции

Это видео демонстрирует, как ватты, полученные в результате изобретений Ватта, помогли осуществить промышленную революцию и позволили Англии вступить в новую историческую эпоху.

Проверка захвата

Какую форму механической энергии вырабатывает паровой двигатель?

1. Потенциальная энергия
2. Кинетическая энергия
3. Атомная энергия
4. Солнечная энергия

Прежде чем продолжить, убедитесь, что вы понимаете различия между силой, работой, энергией и мощью.Сила, приложенная к объекту на расстоянии, работает. Работа может увеличить энергию, а энергия может сделать работу. Мощность — это скорость выполнения работы.

Рабочий пример

Применение теоремы работа – энергия

Фигуристка массой 50 кг скользит по льду со скоростью 8 м / с, когда ее друг подходит сзади и толкает ее, в результате чего ее скорость увеличивается до 12 м / с. Сколько поработал друг над фигуристом?

Стратегия

К задаче применима теорема работа – энергия.Напишите уравнение теоремы и, если возможно, упростите его.

W = ΔKE = 12 мв22−12 мв12 Вт = ΔKE = 12 мв22−12 мв12

Упростить до W = 12m (v22 − v12) Упростить до W = 12m (v22 − v12)

Решение

Определите переменные.
м = 50 кг,

v2 = 12 мс, и v1 = 8 мс, v2 = 12 мс, и v1 = 8 мс

9,1

Заменитель.

Вт = 1250 (122-82) = 2000 ДжВт = 1250 (122-82) = 2000 Дж

9,2

Обсуждение

Работа, проделанная с объектом или системой, увеличивает их энергию.В этом случае увеличивается кинетическая энергия фигуриста. Отсюда следует, что увеличение энергии должно быть разницей в KE до и после толчка.

Советы для успеха

Эта задача иллюстрирует общий метод решения проблем, требующих применения формул: определить неизвестные и известные переменные, выразить неизвестные переменные через известные переменные, а затем ввести все известные значения.

Поддержка учителя

Поддержка учителя

Определите три переменные и выберите соответствующее уравнение.Различайте начальную и конечную скорость и обратите внимание на знак минус.

Определите переменные. м = 50 кг,

v2 = 12 мс, и v1 = 8 мс, v2 = 12 мс, и v1 = 8 мс

Заменить.

W = 1250 (122-82) = 2000 ДжВт = 1250 (122-82) = 2000 Дж

Практические задачи

1.

Сколько работы выполняется, когда штангист поднимает штангу 200 \, \ text {N} с пола на высоту 2 \, \ text {m}?

1. 0 \, \ text {J}
2. 100 \, \ text {J}
3. 200 \, \ text {J}
4. 400 \, \ text {J}

2.

Определите, какое из следующих действий дает больше энергии. Показать свою работу.

• переносить телевизор 100 \, \ text {N} на второй этаж в 50 \, \ text {s} или
• несёт арбуз 24 \, \ text {N} на второй этаж через 10 \, \ text {s}?

1. Переноска телевизора 100 \, \ text {N} генерирует больше энергии, чем переноска арбуза 24 \, \ text {N} на ту же высоту, потому что мощность определяется как выполненная работа, умноженная на временной интервал.
2. Переноска телевизора 100 \, \ text {N} генерирует больше энергии, чем переноска арбуза 24 \, \ text {N} на ту же высоту, потому что мощность определяется как отношение проделанной работы к временному интервалу.
3. Носить арбуз 24 \, \ text {N} генерирует больше энергии, чем переносить телевизор 100 \, \ text {N} на ту же высоту, потому что мощность определяется как проделанная работа, умноженная на временной интервал.
4. Носить арбуз 24 \, \ text {N} генерирует больше энергии, чем переносить телевизор 100 \, \ text {N} на ту же высоту, потому что мощность определяется как соотношение проделанной работы и временного интервала.

Проверьте свое понимание

3.

Укажите два свойства, выраженных в джоулях.

1. рабочая сила
2. энергии и веса
3. работа и энергия
4. вес и сила

4.

Когда кокос падает с дерева, работа с ним W выполняется, когда он падает на берег. Эта работа описывается уравнением

W = Fd = 12mv22−12mv12.W = Fd = 12mv22−12mv12.

9,3

Определите количества F , d , m , v ₁ и v ₂ в этом случае.

1. F — сила тяжести, равная весу кокоса, d — расстояние, на которое падает орех, м — масса земли, v ₁ — начальная скорость, а v ₂ — скорость, с которой он ударяется о берег.
2. F — сила тяжести, равная весу кокоса, d — расстояние падения ореха, м — масса кокоса, v ₁ — начальная скорость , а v ₂ — скорость, с которой он ударяется о берег.
3. F — сила тяжести, которая равна весу кокоса, d — расстояние падения ореха, м — масса земли, v ₁ — скорость с который попадает в пляж, и v ₂ — начальная скорость.
4. F — сила тяжести, равная весу кокоса, d — расстояние падения ореха, м — масса кокоса, v ₁ — скорость с который попадает в пляж, и v ₂ — начальная скорость.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить достижения учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся не справляются с какой-либо конкретной целью, «Проверьте свое понимание» поможет определить, какая из них, и направит учащихся к соответствующему содержанию.

Понимание концепций работы, энергии и мощности

Понятия работы, энергии и мощности очень важны в физике.Как студент-физик, вы должны очень четко понимать эти три концепции. Если вы обнаружите, что боретесь с этой концепцией, вам следует обратиться за помощью к школьному учителю или посетить уроки физики, чтобы закрепить свое понимание этой концепции. В этой статье мы объясним основы работы, энергии и мощности, которые будут применимы в ваших физических упражнениях.
Работа
Работа — это действие, которое включает в себя смещение (перемещение) объекта путем приложения к нему силы.Когда к объекту прикладывается сила, чтобы сместить (переместить) его на определенное расстояние в направлении силы, тогда говорят, что работа выполнена.
Работа также может быть определена как передача энергии. Когда вы толкаете или поднимаете объект, вы передаете свою энергию этому объекту, так что он перемещается на определенное расстояние.
Это выражается следующими математическими уравнениями:

• Для постоянной силы в направлении движения уравнение W = F * d.

W — работа, F — приложенная сила и d — пройденное расстояние

• Для постоянной силы с составляющей в направлении движения уравнение W = F * d * cosq.

Тета (q) — это угол, образованный силой с направлением движения.

• Для переменной силы в направлении движения уравнение W = ò F * dx.

• Для переменной силы в переменном направлении уравнение W = ò F * cosq * dx

Энергия
Энергия — это способность выполнять работу. Вы можете думать об этом как о деньгах — если у вас есть деньги, вы можете покупать вещи; если у вас его нет, вы не сможете ничего купить. Никакая работа не может выполняться без энергии.Чтобы выполнить определенный объем работы, вам потребуется определенное количество энергии. Например, чтобы выполнить 100 джоулей работы, вы должны потратить 100 джоулей энергии.
Согласно второму закону термодинамики, энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Его можно изменить только из одной формы в другую, например, двигатель автомобиля преобразует химическую энергию в механическую.
Энергия существует во многих различных формах, таких как тепловая энергия (тепло), световая энергия (излучение), химическая энергия, механическая энергия, магнитная энергия, потенциальная энергия, кинетическая энергия и ядерная энергия.Они выражаются в различных единицах измерения, например в джоулях, калориях и киловатт-часах.
Два типа энергии, которые имеют особое значение для студентов-физиков, — это потенциальная энергия и кинетическая энергия.

• Потенциальная энергия — энергия, запасенная в объекте из-за его положения. Есть две формы потенциальной энергии; гравитационная потенциальная энергия и упругая потенциальная энергия.

• Кинетическая энергия — энергия, которой обладает движущееся тело. Он представлен следующей математической формулой: KE = 0.5 x m x v ² , где m = масса объекта и v = скорость объекта.

Мощность
Мощность — это скорость выполнения работы. Его также можно определить как скорость использования энергии. Вы можете думать об этом как о том, сколько раз вы можете повернуть колесо велосипеда за минуту. Чем вы сильнее, тем больше раз сможете повернуть руль. Точно так же, чем мощнее машина, тем быстрее она может работать.
Мощность обычно выражается в ваттах. 1 Ватт = 1 Джоуль / 1 секунда.Если машина выполняет 1000 джоулей работы за 1 секунду, то ее мощность составляет 1000 ватт или 1 киловатт. Мощность также выражается в лошадиных силах (л.с.). 1 л.с. = 735,7 Вт.
Работа, энергия и мощность — обширная тема, требующая много тяжелой работы, и вопросы применения этой концепции могут быть очень сложными. Многие студенты посещают занятия по физике, чтобы больше практиковаться и хорошо разбираться в этом предмете. Когда вы хорошо разбираетесь в концепциях, вы сможете решать более сложные вопросы и работать в стрессовых ситуациях.Если вы думаете, что слабы в этом вопросе, подумайте о том, чтобы попрактиковаться самостоятельно.

7: Работа, энергия и энергетические ресурсы

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

1. Авторы и авторство

Простого, но точного научного определения энергии не существует.Энергия характеризуется множеством форм и тем фактом, что она сохраняется. Мы можем свободно определить энергию как способность выполнять работу, допуская, что в некоторых обстоятельствах не вся энергия доступна для выполнения работы. Поскольку энергия связана с работой, мы начинаем главу с обсуждения работы. Работа тесно связана с энергией и тем, как энергия переходит из одной системы в другую или меняет форму.

• 7.0: Прелюдия к работе, энергия и энергетические ресурсы

  Энергия играет важную роль как в повседневных событиях, так и в научных явлениях.Вы, без сомнения, можете назвать многие формы энергии, от той, что доставляется нам в пищу, до энергии, которую мы используем для работы наших автомобилей, до солнечного света, который согревает нас на пляже. Вы также можете привести примеры того, что люди называют энергией, которые могут быть ненаучными, например, кто-то с энергичной личностью. Мало того, что энергия имеет много интересных форм, она участвует почти во всех явлениях и является одним из наиболее важных недостатков.

• 7.1. Работа — научное определение на объекте при его перемещении.2 \).

• 7.3: Гравитационная потенциальная энергия

  Работа, совершаемая против силы тяжести при подъеме объекта, становится потенциальной энергией системы объект-Земля. Изменение гравитационной потенциальной энергии \ (\ Delta PE_g \) равно \ (\ Delta PE_g = mgh \), где \ (h \) — увеличение высоты, а \ (g \) — ускорение свободного падения. Гравитационная потенциальная энергия объекта у поверхности Земли обусловлена ​​его положением в системе масса-Земля. Физическое значение имеют только различия в гравитационной потенциальной энергии \ (\ Delta PE_g \).2 \), где \ (k \) — постоянная силы пружины, а | (x \) — смещение из недеформированного положения. Механическая энергия определяется как \ (KE = PE \) для консервативной силы.

• 7.5: Неконсервативные силы

  Неконсервативная сила — это сила, работа которой зависит от пути. Трение — это пример неконсервативной силы, которая превращает механическую энергию в тепловую. Работа \ (W_ {nc} \), совершаемая неконсервативной силой, изменяет механическую энергию системы.В форме уравнения \ (W_ {nc} = \ Delta KE + \ Delta PE \) или, что то же самое, \ (KE_i + PE_i + W_ {nc} = KE_f + PE_f. \) Когда действуют как консервативные, так и неконсервативные силы, энергия может применяться и использоваться для расчета движения в терминах

• 7.6: Сохранение энергии

  Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия постоянна в любом процессе. Энергия может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общее количество остается неизменным.Когда рассматриваются все формы энергии, сохранение энергии записывается в форме уравнения как \ [KE_i + PE_i + W_ {nc} + OE_i = KE_f + PE_f + OE_f, \], где \ (OE \) — все другие формы энергии. помимо механической энергии.

• 7.7: Мощность

  Мощность — это скорость выполнения работы или в форме уравнения для средней мощности \ (P \) для работы \ (Вт \), выполненной за время \ (t \ ), \ (P = W / t \). Единицей измерения мощности в системе СИ является ватт (Вт), где \ (1 \ space W = 1 \ space J / s \).Мощность многих устройств, таких как электродвигатели, также часто выражается в лошадиных силах (л.с.), где \ (1 \ space hp = 746 \ space W. \)

• 7.8: Работа, энергия и мощность у людей

  Человеческое тело преобразует энергию, хранящуюся в пище, в работу, тепловую энергию и / или химическую энергию, которая хранится в жировой ткани. Скорость, с которой организм использует пищевую энергию для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется скоростью метаболизма, а соответствующая скорость в состоянии покоя называется базовой скоростью метаболизма (BMR). Энергия, включенная в базальную скорость метаболизма, делится между различные системы организма, большая часть которых идет в печень, селезенку и мозг.

• 7.9: Мировое потребление энергии

  Относительное использование различных видов топлива для производства энергии изменилось с годами, но в настоящее время в топливе преобладает нефть, хотя доля природного газа и солнечной энергии увеличивается. Хотя преобладают невозобновляемые источники, некоторые страны удовлетворяют значительную часть своих потребностей в электроэнергии за счет возобновляемых ресурсов. Соединенные Штаты получают лишь около 10% своей энергии из возобновляемых источников, в основном гидроэлектроэнергии.

• 7.E: Работа, энергия и энергетические ресурсы (упражнение)

Эскиз: одна из форм энергии — это механическая работа, энергия, необходимая для перемещения объекта массы на расстояние d, когда ему противостоят силой F, такой как сила тяжести. Использование изображения с разрешения (CC-SA-BY-NC -3.0; анонимно).

Авторы и авторство

• Пол Питер Урон (почетный профессор Калифорнийского государственного университета, Сакраменто) и Роджер Хинрикс (Государственный университет Нью-Йорка, колледж в Освего) с участвующими авторами: Ким Диркс (Оклендский университет) и Манджула Шарма (Сиднейский университет).Эта работа лицензирована OpenStax University Physics в соответствии с лицензией Creative Commons Attribution License (4.0).

Работа, энергия и мощность — SAT II Physics

Если вы считаете, что контент, доступный через Веб-сайт (как определено в наших Условиях обслуживания), нарушает
или несколько ваших авторских прав, сообщите нам, отправив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее
в
информацию, описанную ниже, назначенному ниже агенту.Если репетиторы университета предпримут действия в ответ на
ан
Уведомление о нарушении, оно предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, которая предоставила такой контент
средствами самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении прав может быть отправлено стороне, предоставившей доступ к контенту, или третьим лицам, таким как
в виде
ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатам), если вы существенно
искажать информацию о том, что продукт или действие нарушает ваши авторские права.Таким образом, если вы не уверены, что контент находится
на Веб-сайте или по ссылке с него нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к юристу.

Чтобы отправить уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись правообладателя или лица, уполномоченного действовать от их имени;
Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены;
Описание характера и точного местонахождения контента, который, по вашему мнению, нарушает ваши авторские права, в \
достаточно подробностей, чтобы позволить репетиторам университетских школ найти и точно идентифицировать этот контент; например нам требуется
а
ссылка на конкретный вопрос (а не только на название вопроса), который содержит содержание и описание
к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба;
Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и
Ваше заявление: (а) вы добросовестно считаете, что использование контента, который, по вашему мнению, нарушает
ваши авторские права не разрешены законом, владельцем авторских прав или его агентом; (б) что все
информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство, что вы
либо владелец авторских прав, либо лицо, уполномоченное действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему уполномоченному агенту по адресу:

Чарльз Кон
Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
St. Louis, MO 63105

Или заполните форму ниже:

Работа, энергия и сила — IB Physics Stuff

2.5.1 Определение работы

Работа — это не энергия, это средство передачи энергии посредством силы, приложенной к движущемуся объекту.Если объект не движется или сила направлена ​​не в направлении движения, то сила не передает энергию объекту, или мы говорим «сила не выполняет работу с объектом». Математически мы определяем работу как:

(1)

\ begin {align} W = \ vec F \ bullet s \ end {align}

Или в мире IB:

(2)

\ begin {align} W = Fs \ cos {\ theta} \ end {align}

Где W — работа, F — сила, s — смещение, а θ — угол между силой и смещением.Вторая формула — это формула, которую дает IB, и вы должны ее понять. Первое — это «реальное» уравнение, это векторное скалярное произведение, но его можно упростить до второго уравнения.

Обратите внимание, что если сила и смещение перпендикулярны, то сила не совершает никакой работы. Если угол 180 °, сила выполняет отрицательную работу, примером этого может быть автомобиль, движущийся вперед, в то время как водитель нажимает на тормоза…

2.5.2 Определите работу, совершаемую непостоянной силой, интерпретируя график силы смещения

Приведенное выше уравнение хорошо работает, если сила постоянна, но в большинстве случаев сила не постоянна… Таким образом, мы можем либо провести вычисления, либо посмотреть на график (фактически, все еще выполняя вычисления). 2

Это последнее выражение определяется как кинетическая энергия.2 \ end {align}

Первый член справа — это начальная кинетическая энергия, а последний член — конечная кинетическая энергия. Таким образом, работа, выполняемая при ускорении объекта, равна изменению кинетической энергии.

2.5.5 Опишите концепции гравитационной потенциальной энергии и упругой потенциальной энергии

Если объект массы m поднимается вертикально на расстояние h, то работа, выполненная над объектом, составляет:

(9)

\ begin {уравнение} W = Fs \ end {уравнение}

(10)

\ begin {уравнение} W = Fh \ end {уравнение}

Сила, необходимая для подъема объекта:

(11)

\ begin {уравнение} F = мг \ end {уравнение}

Или вес объекта, мы можем описать проделанную работу как:

(12)

\ begin {уравнение} W = mgh \ end {уравнение}

Последнее выражение — это гравитационная потенциальная энергия объекта.Потенциальная энергия — это энергия, которую объект имеет исключительно из-за его положения или конфигурации.

Если объект поднимается с начальной высоты hI до конечной высоты hf. Тогда водоизмещение будет:

(13)

\ begin {уравнение} s = h_f — h_i \ end {уравнение}

А по объекту выполнено работ:

(14)

\ begin {уравнение} W = мг (h_f — h_i) \ end {уравнение}

(15)

\ begin {уравнение} W = mgh_f — mgh_i \ end {уравнение}

Другими словами, работа, выполняемая при поднятии объекта, равна изменению потенциальной энергии.2 \ end {формула}

Это также потенциальная энергия растяжения пружины.

2.5.6 Изложить принцип сохранения энергии

Энергосбережение — это принцип, согласно которому в замкнутой системе энергия не приобретается и не теряется. В открытой системе энергия может добавляться или теряться. Это определение также можно перевернуть. Если система набирает или теряет энергию, то это открытая система. Единственная действительно открытая система во Вселенной, Земля постоянно получает энергию от Солнца в течение дня и излучает энергию обратно ночью.

Можно сказать, что полная энергия перед событием равна полной энергии после события или:

(18)

\ begin {формула} Начальная энергия = Конечная энергия \ end {формула}

По кинетической и потенциальной энергии:

(19)

\ begin {уравнение} KE_i + PE_i = KE_f + PE_f \ end {уравнение}

Итак, для закрытой системы падающий шар — хорошее приближение, поскольку по мере падения шара его потенциальная энергия уменьшается, но его кинетическая энергия увеличивается с той же, но противоположной скоростью.

Примечание: потенциальная и кинетическая энергия являются примерами механической энергии, они не единственные типы энергии.

Это видео показывает два пути (или пути) преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Начальные потенциальные энергии одинаковы, поскольку оба шара падают с одинаковой высоты. Конечная кинетическая энергия «показана» временем, когда мяч прошел через фотозатвор. Время, необходимое для прохождения фотозатвора, зависит только от скорости и, следовательно, от кинетической энергии.Поскольку два времени одинаковы, две конечные кинетические энергии одинаковы.

2.5.7 Перечислите различные формы энергии и опишите примеры преобразования энергии из одной формы в другую

Украдено из Advanced Physics, Стив Адамс и Джонатан Аллдей

2.5.8 Определить мощность

Мощность — это скорость выполнения работы или скорость передачи энергии.

(20)

\ begin {align} P = {W \ over t} \ end {align}

Единица измерения мощности — Ватты, $ Ватт = {Нм \ over s} $.Это тот же блок, что и у ваших лампочек и электроприборов.

Мы также можем переписать мощность как:

(21)

\ begin {align} P = {Fs \ over t} = Fv \ end {align}

Где F — приложенная сила, s — смещение, t — время, а v — скорость.

2.5.9 Определите и примените понятие эффективности

Когда работа выполняется с объектом, иногда энергия преобразуется в нежелательную или бесполезную форму (часто в тепло). Отношение полезной энергии к количеству приложенной энергии — это КПД, его также можно определить в единицах мощности:

(22)

\ begin {align} КПД \% = {Полезная энергия \ над общей энергией} \ times 100 \% = {Полезная мощность \ над общей мощностью} \ times 100 \% \ end {align}

Хотите добавить или прокомментировать эти заметки? Сделайте это ниже.