Как связано изменение потенциальной энергии заряда. Сравнение изменения потенциальной энергии растянутой пружины с изменением кинетической энергии тела. Относительная диэлектрическая проницаемость. Электрическая постоянная. Напряженность электрического по

1. С понятием энергии вы познакомились в курсе физики 7 класса. Вспомним его. Предположим, что некоторое тело, например тележка, съезжает с наклонной плоскости и передвигает лежащий у ее основания брусок. Говорят, что тележка совершает работу. Действительно, она действует на брусок с некоторой силой упругости и брусок при этом перемещается.

Другой пример. Водитель автомобиля, движущегося с некоторой скоростью, нажимает на тормоз, и автомобиль спустя какое‑то время останавливается. В этом случае также автомобиль совершает работу против силы трения.

Говорят, что если тело может совершить работу, то оно обладает энергией .

Энергию обозначают буквой E . Единица энергии в СИ - джоуль (1 Дж ).

2. Различают два вида механической энергии - потенциальная и кинетическая.

Потенциальной энергией называют энергию взаимодействия тел или частей тела, зависящую от их взаимного положения.

Потенциальной энергией обладают все взаимодействующие тела. Так, любое тело взаимодействует с Землей, следовательно, тело и Земля обладают потенциальной энергией. Частицы, из которых состоят тела, тоже взаимодействуют между собой, и они также обладают потенциальной энергией.

Поскольку потенциальная энергия - это энергия взаимодействия, то она относится не к одному телу, а к системе взаимодействующих тел. В том случае, когда мы говорим о потенциальной энергии тела, поднятого над Землей, систему составляют Земля и поднятое над ней тело.

3. Выясним, чему равна потенциальная энергия тела, поднятого над Землей. Для этого найдем связь между работой силы тяжести и изменением потенциальной энергии тела.

Пусть тело массой m падает с высоты h 1 до высоты h 2 (рис. 72). При этом перемещение тела равно h = h 1 – h 2 . Работа силы тяжести на этом участке будет равна:

A = F тяж h = mgh = mg (h 1 – h 2), или
A = mgh 1 – mgh 2 .

Величина mgh 1 = E п1 характеризует начальное положение тела и представляет собой его потенциальную энергию в начальном положении, mgh 2 = E п2 - потенциальная энергия тела в конечном положении. Формулу можно переписать следующим образом:

A = E п1 – E п2 = –(E п2 – E п1).

При изменении положения тела изменяется его потенциальная энергия. Таким образом,

работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Знак «минус» означает, что при падении тела сила тяжести совершает положительную работу, а потенциальная энергия тела уменьшается. Если тело движется вверх, то сила тяжести совершает отрицательную работу, а потенциальная энергия тела при этом увеличивается.

4. При определении потенциальной энергии тела необходимо указывать уровень, относительно которого она отсчитывается, называемый нулевым уровнем .

Так, потенциальная энергия мяча, пролетающего над волейбольной сеткой, относительно сетки имеет одно значение, а относительно пола спортзала - другое. При этом важно, что разность потенциальных энергий тела в двух точках не зависит от выбранного нулевого уровня. Это означает, что работа, совершенная за счет потенциальной энергии тела, не зависит от выбора нулевого уровня.

Часто за нулевой уровень при определении потенциальной энергии принимают поверхность Земли. Если тело падает с некоторой высоты на поверхность Земли, то работа силы тяжести равна потенциальной энергии: A = mgh .

Следовательно, потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту над нулевым уровнем, равна работе силы тяжести при падении тела с этой высоты до нулевого уровня.

5. Потенциальной энергией обладает любое деформированное тело. При сжатии или растяжении тела оно деформируется, изменяются силы взаимодействия между его частицами и возникает сила упругости.

Пусть правый конец пружины (см. рис. 68) перемещается из точки с координатой Dl 1 в точку с координатой Dl 2 . Напомним, что работа силы упругости при этом равна:

A =– .

Величина = E п1 характеризует первое состояние деформированного тела и представляет собой его потенциальную энергию в первом состоянии, величина = E п2 характеризует второе состояние деформированного тела и представляет собой его потенциальную энергию во втором состоянии. Можно записать:

A = –(E п2 – E п1), т. е.

работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии пружины, взятому с противоположным знаком.

Знак «минус» показывает, что в результате положительной работы, совершенной силой упругости, потенциальная энергия тела уменьшается. При сжатии или растяжении тела под действием внешней силы его потенциальная энергия увеличивается, а сила упругости совершает отрицательную работу.

Вопросы для самопроверки

1. Когда можно сказать о том, что тело обладает энергией? Какова единица энергии?

2. Какую энергию называют потенциальной?

3. Как вычислить потенциальную энергию тела, поднятого над Землей?

4. Зависит ли потенциальная энергия тела, поднятого над Землей, от нулевого уровня?

5. Как вычислить потенциальную энергию упруго деформированного тела?

Задание 19

1. Какую работу надо совершить, чтобы переложить пакет с мукой массой 2 кг с полки, находящейся на высоте 0,5 м относительно пола, на стол, находящийся на высоте 0,75 м относительно пола? Чему равны относительно пола потенциальная энергия пакетас мукой, лежавшего на полке, и его потенциальная энергия тогда, когда он находится на столе?

2. Какую работу надо совершить, чтобы пружину жесткостью 4 кН/м перевести в состояние 1 , растянув ее на 2 см? Какую дополнительную работу надо совершить, чтобы перевести пружину в состояние 2 , растянув ее еще на 1 см? Чему равно изменение потенциальной энергии пружины при ее переводе в состояние 1 и из состояния 1 в состояние 2 ? Чему равна потенциальная энергия пружины в состоянии 1 и в состоянии 2 ?

3. На рисунке 73 приведен график зависимости силы тяжести, действующей на мяч, от высоты подъема мяча. Вычислите, пользуясь графиком, потенциальную энергию мяча на высоте 1,5 м.

4. На рисунке 74 приведен график зависимости удлинения пружины от действующей на нее силы. Чему равна потенциальная энергия пружины при удлинении 4 см?

В предыдущем параграфе было выяснено, что когда тела, взаимодействующие друг с другом силой упругости или силой тяжести, совершают работу, то изменяется взаимное расположение тел или их частей. А когда работу совершает движущееся тело, то изменяется его скорость. Но при совершении работы изменяется энергия тел. Отсюда можно заключить, что энергия тел, взаимодействующих силой упругости или силой тяжести, зависит от взаимного расположения этих тел или их частей. Энергия же движущегося тела зависит от его скорости.

Энергию тел, которой они обладают вследствие взаимодействия друг с другом, называют потенциальной энергией. Энергию же тел, которой они обладают вследствие своего движения, называют кинетической энергией.

Следовательно, энергия, которой обладает Земля и находящееся вблизи нее тело, - это потенциальная энергия системы Земля - тело. Для краткости принято говорить, что этой энергией обладает само тело, находящееся вблизи поверхности Земли.

Энергия деформированной пружины - это тоже потенциальная энергия. Она определяется взаимным расположением витков пружины.

Кинетическая энергия - это энергия движения. Кинетической энергией может обладать тело и не взаимодействующее с другими телами.

Тела могут обладать одновременно и потенциальной, и кинетической энергией. Например, искусственный спутник Земли обладает кинетической энергией, потому что он движется, и потенциальной энергией, потому что он взаимодействует силой всемирного тяготения с Землей. Падающий груз тоже обладает и кинетической, и потенциальной энергией.

Посмотрим теперь, как можно вычислить энергию, которой обладает тело в данном состоянии, а не только ее изменение. Для этой цели нужно из различных состояний тела или системы тел выбрать одно определенное состояние, с которым будут сравниваться все остальные.

Назовем это состояние «нулевым состоянием». Тогда энергия тел в любом состоянии будет равна работе, которая совершается

при переходе из этого состояния в пулевое состояние. (Очевидно, что в нулевом состоянии энергия тела равна пулю.) Напомним, что работа, совершаемая силон тяжести и силой упругости, не зависит от траектории движения тела. Она зависит только от его начального и конечного положений. Точно так же работа, совершаемая при изменении скорости тела, зависит только от начальной и конечной скорости тела.

Какое состояние тел выбрать за нулевое, безразлично. Но в некоторых случаях выбор нулевого состояния напрашивается сам собой. Например, когда речь идет о потенциальной энергии упруго деформированной пружины, естественно считать, что недеформированная пружина находится в нулевом состоянии. Энергия недеформированной пружины равна нулю. Тогда потенциальная энергия деформированной пружины будет равна той работе, которую совершила бы эта пружина, перейдя в недеформпрованноесостояние. Когда нас интересует кинетическая энергия движущегося тела, естественно принять за нулевое то состояние тела, в котором его скорость равна нулю. Кинетическую энергию движущегося тела мы получим, если вычислим работу, которую оно совершило бы, двигаясь до полной остановки.

Иное дело, когда речь идет о потенциальной энергии тела, поднятого на некоторую высоту над Землей. Эта энергия зависит, конечно, от высоты поднятия тела. Но тут нет «естественного» выбора нулевого состояния, т. е. того положения тела, от которого нужно отсчитывать его высоту. Можно выбрать за нулевое то состояние тела, когда оно находится на полу комнаты, на уровне моря, на дне шахты и т. д. Необходимо лишь при определении энергии тела на разных высотах отсчитывать эти высоты от одного и того же уровня, высота которого принята равной нулю. Тогда значение потенциальной энергии тела на данной высоте будет равно работе, которая была бы совершена при переходе тела с этой высоты на нулевой уровень.

Выходит, что в зависимости от выбора нулевого состояния энергия одного и того же тела имеет разные значения! В этом нет никакой беды. Ведь для вычисления работы, совершаемой телом, нам нужно знать изменение энергии, т. е. разность двух значений энергии. А эта разность никак не зависит от выбора нулевого уровня. Например, для того чтобы определить, на сколько вершина одной горы выше другой, безразлично, откуда отсчитывается высота каждой вершины. Важно лишь, чтобы она отсчитывалась от одного и того же уровня (например, от уровня моря).

Изменение как кинетической, так и потенциальной энергии тел всегда равно по абсолютной величине работе, совершенной действующими на эти тела силами. Но между обоими видами энергии имеется важное различие. Изменение кинетической энергии тела при действии на него силы действительно равно совершенной этой силой работе, т. е. совпадает с ней как по абсолютной величине, так и по знаку. Это непосредственно следует из теоремы о

кинетической энергии (см. § 76). Изменение же потепцналыюй энергии тел равно работе, совершенной силами взаимодействия, только по абсолютной величине, а по знаку противоположно ей. В самом деле, когда тело, на которое действует сила тяжести, перемещается вниз, совершается положительная работа, а потенциальная энергия тела при этом уменьшается. То же относится к деформированной пружине: при сокращении растянутой пружины сила упругости совершает положительную работу, а потенциальная энергия пружины уменьшается. Напомним, что изменение величины - это разность между последующим и предшествующим значением этой величины. Поэтому, когда изменение какой-нибудь величины состоит в том, что она увеличивается, это изменение имеет положительный знак. Наоборот, если величина уменьшается, ее изменение отрицательно.

Упражнение 54

1. В каких случаях тело обладает потенциальной энергией?

2. В каких случаях тело обладает кинетической энергией?

3. Какой энергией обладает свободно падающее тело?

4. Как изменяется потенциальная энергия тела, на которое действует сила тяжести, при его движении вниз?

5. Как изменится потенциальная энергия тела, на которое действует сила упругости или сила тяжести, если, пройдя по любой траектории, тело вернется в исходную точку?

6. Как связана работа, совершаемая пружиной, с изменением ее потенциальной энергии?

7. Как изменяется потенциальная энергия пружины, когда недеформированную пружину растягивают? Сжимают?

8. Шарик подвешен к пружине и совершает колебания. Как изменяется потенциальная энергия пружины при ее движении вверх и вниз?

Кинетическая энергия — энергия механической системы, зависящая от скоростей движения её точек в выбранной системе отсчёта. Часто выделяют кинетическую энергию поступательного и вращательного движения. Простым языком, кинетическая энергия - это энергия, которую тело имеет только при движении. Когда тело не движется, кинетическая энергия равна нулю. Работа и изменение скорости тела. Установим связь между работой постоянной силы и изменением скорости тела. В этом случае работу силы можно определить как . Модуль силы по второму закону Ньютона равен , а модуль перемещения при равноускоренном прямолинейном движении

. (19.3) Работа равнодействующей сил, приложенных к телу, равна изменению кинетической энергии тела. Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии.

Так как изменение кинетической энергии равно работе силы (19.3), кинетическая энергия выражается в тех же единицах, что и работа, т.е. в джоулях.

Если начальная скорость движения тела массой равна нулю и тело увеличивает свою скорость до значения , то работа силы равна конечному значению кинетической энергии тела:

. (19.4) Так как перемещение совпадает по направлению с вектором силы тяжести, работа силы тяжести равна

. (20.1) что работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела и всегда равна произведению модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях. При движении вниз работа силы тяжести положительна, при движении вверх - отрицательна. Работа силы тяжести на замкнутой траектории равна нулю. Значение потенциальной энергии тела, поднятого над Землей, зависит от выбора нулевого уровня, т.е. высоты, на которой потенциальная энергия принимается равной нулю. Обычно принимают, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю.

Растворы, осмотическое давление. Влажность: относительная и абсолютная влажность, точка росы. Осмотическое давление (обозначается π) — избыточное гидростатическое давление на раствор, отделённый от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при котором прекращается диффузия растворителя через мембрану (осмос). Это давление стремится уравнять концентрации обоих растворов вследствие встречной диффузии молекул растворённого вещества и растворителя. Величина осмотического давления, создаваемая раствором, зависит от количества, а не от химической природы растворенных в нём веществ (илиионов, если молекулы вещества диссоциируют), следовательно, осмотическое давление является коллигативным свойством раствора.

Чем больше концентрация вещества в растворе, тем больше создаваемое им осмотическое давление. Это правило, носящее название закона осмотического давления, выражается простой формулой, очень похожей на некий закон идеального газа: , где i — изотонический коэффициент раствора; C — молярная концентрация раствора, выраженная через комбинацию основных единиц СИ, то есть, в моль/м 3 , а не в привычных моль/л; R — универсальная газовая постоянная; T — термодинамическая температура раствора.

Абсолютная влажность воздуха (f) — это количество водяного пара, фактически содержащегося в 1м 3 воздуха: f = m (масса содержащегося в воздухе водяного пара)/ V (объём влажного воздуха). Обычно используемая единица абсолютной влажности: (f) = г/ Относительная влажность: φ = (абсолютная влажность) / (максимальная влажность). Относительная влажность обычно выражается в процентах. Эти величины связаны между собой следующим отношением: φ = (f × 100) / fmax. Точка росы — это температура, до которой должен охладиться воздух, чтобы содержащийся в нём пар достиг состояния насыщения и начал конденсироваться в росу.

Кристаллические и аморфные твердые тела. Жидкие кристаллы. Деформация твердых тел. Виды деформации.

Твердое тело — агрегатное состояние вещества, характеризующееся постоянством формы и характером движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равно-весия. Кристаллические тела . Твердое тело в обычных условиях трудно сжать или растянуть. Для придания твердым телам нужной формы или объема на заводах и фабриках их обрабатывают на специальных станках: токарных, строгальных, шлифовальных. Аморфные тела . Кроме кристаллических, к твердым телам относят также аморфные тела.

АТ — это твердые тела, для которых характерно неупорядоченное расположение частиц в пространстве. К аморфным телам относятся стекло, янтарь, различные другие смолы, пластмассы. Хотя при комнатной температуре эти тела сохраняют свою форму, но при повышении температуры они постепенно размягчаются и начинают течь, как жидкости: у аморфных тел нет определенной температуры, плавления. Жидкие кристаллы - Это фазовое состояние, в которое переходят некоторые вещества при определенных условиях (температура, давление, концентрация в растворе).

ЖК обладают одновременно свойствами как жидкостей (текучесть), так и кристаллов (анизотропия). Деформация твердого тела - изменение линейных размеров или форм твердого тела под действием внешних сил. Виды деформаций: Деформация растяжения или сжатия - изменение любого линейного размера тела (длины, ширины или высоты). Деформация сдвига - перемещение всех слоев твердого тела в одном направлении параллельно некоторой плоскости сдвига. Деформация изгиба - сжатие одних частей тела при растяжении других. Деформация кручения - поворот параллельных сечений образца вокруг некоторой оси под действием внешней силы.

Механические свойства твердых тел. Закон Гука . Кривая деформации. Пределы упругости и прочности. Пластическая деформация.

Под действием приложенных внешних сил твердые тела изменяют свою форму и объем - деформируются. Если после прекращения действия силы, форма и объем тела полностью восстанавливаются, то деформацию называют упругой , а тело - абсолютно упругим. Деформации, которые не исчезают после прекращения действия сил, называются пластическими , а тела - пластичными. Различают следующие виды деформаций: растяжение, сжатие, сдвиг, кручение и изгиб. Деформацию растяжения характеризуют абсолютным удлинением дельта l и относительным удлинением е : где l 0 - начальная длина, l - конечная длина стержня. Механическим напряжением называют отношение модуля силы упругости F к площади поперечного сечения тела S: б = F/S .

В СИ за единицу механического напряжения принимают 1Па = 1Н/м 2 . Закон Гука: при малых деформациях напряжение прямо пропорционально относительному удлинению (б = Е. е ). Упругой деформацией называется такая, при которой после прекращения действия силы тело восстанавливает свои первоначальные форму и размеры. Пластической деформацией назыв. такая, при которой после прекращения действия нагрузки тело не восстанавливает своей первоначальной формы и размеров. Пластической деформации всегда предшествует упругая.

Основное уравнение молекулярно-кинетической теории газов .

Для объяснения свойств вещества в газообразном состоянии используется модель идеального газа. В модели идеального газа предполагается следующее: молекулы обладают пренебрежимо малым объемом по сравнению с объемом сосуда, между молекулами не действуют силы притяжения, при соударениях молекул друг с другом и со стенками сосуда действуют силы отталкивания. Давление идеального газа. Одним из первых и важных успехов молекулярно-кинетической теории было качественное и количественное объяснение явления давления газа на стенки сосуда. Качественное объяснение давления со стенками сосуда взаимодействуют с ними по законам механики как упругие тела. При столкновении молекулы со стенкой сосуда проекция вектора скорости на ось ОХ, перпендикулярную стенке, изменяет свой знак на противоположный, но остается постоянной по модулю

Поэтому в результате столкновения молекулы со стенкой проекция ее импульса на ось ОХ изменяется от до . Изменение импульса молекулы показывает, что на нее при столкновении действует сила , направленная от стенки. Изменение импульса молекулы равно импульсу силы : Во время столкновения молекула действует на стенку с силой , равной по третьему закону Ньютона силе по модулю и направленной противоположно. Молекул газа очень много, и удары их о стенку следуют один за другим с очень большой частотой. Среднее значение геометрической суммы сил, действующих со стороны отдельных молекул при их столкновениях со стенкой сосуда, и является силой давления газа. Давление газа равно отношению модуля силы давления к площади стенки S: На основе использования основных положений молекулярно-кинетической теории было получено уравнение, которое позволяло вычислить давление газа, если известны масса m0 молекулы газа, среднее значение квадрата скорости молекул и концентрация n молекул: - это уравнение называют основным уравнением молекулярно-кинетической теории. Обозначив среднее значение кинетической энергии поступательного движения молекул идеального газа : получим . Давление идеального газа равно двум третям средней кинетической энергии поступательного движения молекул, содержащихся в единице объема.

Внутренняя энергия системы как функция состояния. Эквивалентность теплоты и работы. Первое начало термодинамики .

Внутренняя энергия - термодинамическая функция состояния системы, ее энергия, определяемая внутренним состоянием. Она складывается в основном из кинетической энергии движения частиц (атомов, молекул, ионов, электронов) и энергии взаимодействия между ними (внутри- и межмолекулярной). На внутреннюю энергию влияет изменение внутреннего состояния системы под действием внешнего поля; во внутреннюю энергию входит, в частности, энергия, связанная с поляризацией диэлектрика во внешнем электрическом поле и намагничиванием парамагнетика во внешнем магнитном поле.

Кинетическая энергия системы как целого и потенциальная энергия, обусловленная пространственным расположением системы, во внутреннюю энергию не включаются. В термодинамике определяется лишь изменение внутренней энергии в различных процессах. Поэтому внутреннюю энергию задают с точностью до некоторого постоянного слагаемого, зависящего от энергии, принятой за нуль отсчета. Внутренняя энергия U как функция состояния вводится первым началом термодинамики, согласно которому разность между теплотой Q, переданной системе, и работой W , совершаемой системой, зависит только от начального и конечного состояний системы и не зависит от пути перехода, т.е. представляет изменение функции состояния ΔU где U 1 и U 2 - внутренняя энергия системы в начальном и конечном состояниях соответственно. Уравнение (1) выражает закон сохранения энергии в применении к термодинамическим процессам, т.е. процессам, в которых происходит передача теплоты. Для циклического процесса, возвращающего систему в начальное состояние, ΔU = 0. В изохорных процессах, т.е. процессах при постоянном объеме, система не совершает работы за счет расширения, W = 0 и теплота, переданная системе, равна приращению внутренней энергии: Q v = ΔU . Для адиабатических процессов, когда Q = 0, ΔU = -W . Внутренняя энергия системы как функция ее энтропии S, объема V и числа молей m i i-того компонента представляет собой термодинамический потенциал. Это является следствием первого и второго начал термодинамики и выражается соотношением:

Относительная диэлектрическая проницаемость. Электрическая постоянная. Напряженность электрического поля .

Диэлектрическая проницаемость среды — физическая величина, характеризующая свойства изолирующей (диэлектрической) среды и показывающая зависимость электрической индукции от напряжённости электрического поля. Относительная диэлектрическая проницаемость ε является безразмерной и показывает, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Эта величина для воздуха и большинства других газов в нормальных условиях близка к единице (в силу их низкой плотности).

Для большинства твёрдых или жидких диэлектриков относительная диэлектрическая проницаемость лежит в диапазоне от 2 до 8 (для статического поля). Диэлектрическая постоянная воды в статическом поле достаточно высока — около 80. Электрическая постоянная (e 0) - физ постоянная, входящая в ур-ния законов электрич. поля (напр., в Кулона закон )при записи этих ур-ний в рационализованной форме, в соответствии с к-рой образованы электрич. и магн. единицы Международной системы единиц; по старой терминологии Э. п. называется диэлектрич. проницаемостью вакуума. где m 0 - магнитная постоянная. В отличие от диэлектрич. проницаемости e, зависящей от типа вещества, темп-ры, давления и др. параметров, Э. п. e 0 зависит только от выбора системы единиц.

Напр., в гауссовой СГС системе единиц напряженность электрического поля в классической электродинамике (E ) - векторная характеристика электрич. поля, сила, действующая па покоящийся в данной системе отсчёта единичный олектрич. заряд. При этом предполагается, что внесение заряда (заряженного пробного тела) во внеш. поле E не изменяет такового. Иногда вместо H. э. п. говорят просто "электрич. поле". Размерность Н. э. п. в гауссовой системе - L -1/2 M 1/2 T -1 , в СИ - LMT -3 I -1 ; единицей H. э. п. в СИ является вольт на метр (1 СГСЭ = 3 . 10 4 В/м). Распределение H. э. п. в пространстве обычно характеризуют с помощью семейства линий E (силовых линий электрич. поля), касательные к к-рьш в каждой точке совпадают с направлениями вектора E .

Как и любое векторное поле, поле E разбивается на две составляющие: потенциальную ([ E п) = 0, E п = - j е) и вихревую (Е B = 0, Е B = [ A m ]). В частности, электрич. поле, создаваемое системой неподвижных зарядов, является чисто потенциальным. Электрич. поле излучения, в т. ч. поле E в поперечных эл.-магп. волнах, является чисто вихревым. Вместе с вектором магн. индукции В H. э. п. составляет единый 4-тензор электромагнитного поля.

Поэтому чисто олектрич. поле данной системы зарядов существует лишь в "избранной" системе отсчёта, где заряды неподвижны. В др. инерцпальных системах отсчёта, перемещающихся относительно "избранной" с пост. скоростью u , возникает ещё имагнитное поле В " = = [uE ]/ , обусловленное появлением конвекц. токов j = ru / (r - плотность заряда в "избранной" системе).

Цель работы: Сравнить уменьшение потенциальной энергии растянутой пру­жины с увеличением кинетической энергии тела, связанного с пру­жиной.

Оборудование: два штатива для фронтальных работ; динамометр учебный; шар; нитки; листы белой и копировальной бумаги; линейка измери­тельная; весы учебные со штативом; гири.

Теоретические основы работы

На основании закона сохранения и превращения энергии при взаимодействии тел силами упругости изменение потенциальной энергии растянутой пружины должно быть равно изменению кине­тической энергии связанного с ней тела, взятому с противополож­ным знаком:

Для экспериментальной проверки этого утверждения можно воспользоваться установкой, изображенной на рисунке 1. В лапке штатива закрепляют динамометр. К его крючку привязывают шар на нити длиной 60-80 см. На другом штативе на одинаковой высоте с динамометром укрепляют в лапке желоб. Установив шар на краю желоба и удерживая его, отодвигают второй штатив от первого на длину нити. Если отодвинуть шар от края желоба на х, то в результате деформации пружина приобретет запас потенциальной энергии

где k - жесткость пружины.

Затем шар отпускают. Под действием силы упругости шар приобретает скорость V. Пренебрегая потерями, вызванными действием силы трения, можно считать, что потенциальная энер­гия растянутой пружины полностью превратится в кинетическую энергию шара:

Скорость шара можно определить, измерив дальность его поле­та S при свободном падении с высоты h. Из выражений и следует, что . Тогда

Целью работы является проверка равенства:

С учетом равенства получим:

Порядок выполнения работы

1.Укрепите на штативах динамометр и желоб на одинаковой
высоте h = 40 см от поверхности стола. Зацепите за крючок динамометра нить, привязанную другим концом к шару. На предпо­лагаемое место падения шара положите лист белой бумаги и сверху него лист копировальной бумаги.

Расстояние между штативами должно быть таким, чтобы шар находился на краю желоба при натянутой нити и отсутствии деформации пружины динамометра.

2. Отодвигайте шар от края желоба до тех пор, пока показания
динамометра не станут равными F y = 2Н. Отпустите шар и заметь­те место его падения на стол по отметке на листе бумаги.

Опыт повторите не менее 10 раз. Определите среднее значение дальности полета S cp .

3. Измерьте деформацию х пружины динамометра при силе упругости F y = 2 Н. Вычислите потенциальную энергию растяну­той пружины.

4. Измерьте массу шара с помощью весов и вычислите увели­чение его кинетической энергии.

5. Результаты измерений и расчетов занесите в отчетную таблицу.

Отчетная таблица

Так как , то граница относительной погрешности равна:

Граница абсолютной погрешности равна:

Так как , то граница относительной погрешности равна:

Погрешностями ε m , ε g и ε h , по сравнению с погрешностью ε s можно пренебречь.

В этом случае

Условия эксперимента по измерению дальности полета таковы, что отклонения результатов отдельных измерений от среднего значительно выше границы систематической погрешности (), поэтому можно принять, что ().

Граница случайной погрешности среднего арифметического при небольшом числе измерений N находится по формуле:

,

где рассчитывается по формуле

Таким образом,

Граница абсолютной погрешности измерения кинетической энергии шара равна:

7. Сделайте вывод о выполнении закона сохранения энергии, проверив, имеют ли общие точки интервалы

Контрольные вопросы

1. Дайте определение энергии.

2. Что называется кинетической энергией?

3. Выразите кинетическую энергию через импульс тела.

4. Какие силы называются консервативными?

5. Что называется потенциальной энергией?

6. Запишите выражение для потенциальной энергии поднятого над поверхностью Земли тела и сжатой пружины.

7. Сформулируйте закон сохранения полной механи­ческой энергии.

8. При каких случаях выполняется закон сохранения механи­ческой энергии?

9. Выполняется ли закон сохранения полной механи­ческой энергии в замкнутой системе, в которой действуют только сила тяготения и силы упругости.

10. Чем можно объяснить неточное равенство изменений потен­циальной энергии пружины и кинетической энергии шара?

Творческий практикум

Две пружины с коэффициентами жесткости k 1 и k 2 соединяют один раз последовательно, а другой раз – параллельно. Какой должна быть жесткость k пружины, которой можно было бы заменить эту систему из двух пружин? Первоначальная длина пружин одинакова.

Лабораторная работа № 4

Между потенциальной энергией системы взаимодействующих тел и консервативной силой, обусловливающей наличие этой энергии, существует вполне определенная связь. Установим эту связь.

1. Если в каждой точке пространства на тело действует консервативная сила, то говорят, что оно находится в потенциальном поле.

2. При изменении положения тела в этом поле потенциальная энергия тела изменяется, при этом консервативная сила совершает вполне определенную работу. Выразим эту работу обычным образом.

Будем полагать, что тело переместилось в произвольном направлении на бесконечно малое расстояние
(рис.25). Тогда

где
- проекция вектора силы на направление. Но
(19.2)

Приравнивая правые части выражений (19.1) и (19.2), получим:
, откуда
. (19.3)

есть производная потенциальной энергии по направлению ; эта величина показывает,насколько быстро изменяется потенциальная энергия вдоль этого направления.

Таким образом, проекция силы на произвольное направление равна по величине и противоположна по знаку производной от потенциальной энергии по этому направлению.

Выясним смысл знака «минус». Если в направлении потенциальная энергия возрастает (> 0), то согласно (19.3)< 0. Это значит, что направление силыобразует с направлениемтупой угол , следовательно, составляющая этой силы, действующая вдоль , противоположна направлению. И наоборот, если< 0, то проекция> 0, угол между силойи направлениемострый, со-

ставляющая этой силы, действующая вдоль , совпадает с направлением.

3. В общем случае потенциальная энергия может изменяться не только в направлении , но и в любом другом направлении. Можно рассматривать, например, изменениявдоль осей,
декартовой системы координат.

Тогда
(19.4)

(значок означает, что беретсячастная производная).

Зная проекции силы
легко найти вектор силы:

. (19.5)

Учитывая (19.4) будем иметь:

. (19.6)

Вектор, стоящий в правой части соотношения (19.6), называется градиентом величины и обозначается
.

Следовательно,

= -
. (19.7)

Консервативная сила, действующая на тело, равна по величине и противоположна по направлению градиенту потенциальной энергии этого тела. Градиент потенциальной энергии – это вектор, указывающий направление быстрейшего возрастания потенциальной энергии и численно равный изменению энергии, приходящемуся на единицу длины этого направления.

При перемещении тела в направлении действия консервативной силы совершаетсямаксимальная работа (так как
=1). Но
. Следовательно, направление силыуказывает направление быстрейшегоуменьшения потенциальной энергии.

20 Графическое представление потенциальной

1. Потенциальная энергия является функцией координат . В некоторых простейших случаях она зависит только от одной координаты (например, в случае поднятого над Землей тела зависит только от высоты). Зависимость потенциальной энергии системы от той или иной координаты может быть представленаграфически.

График, изображающий зависимость потенциальной энергии от соответствующей координаты, называют потенциальной кривой.

Проанализируем одну из возможных потенциальных кривых (рис.26). Кривая (), изображенная на рисунке, показывает, как изменяется потенциальная энергия системы частиц, если одна из частиц перемещается вдоль оси, а все остальные остаются на своих местах. Каждая точка графика дает возможность определитьсистемы, соответствующую координате частицы.

2. По наклону потенциальной кривой можно судить о величине и направлении силы, действующей на частицу вдоль соответствующего направления. Величина и знак проекции этой силы на рассматриваемое направление определяется величиной и знаком тангенса угла наклона касательной к кривойв соответствующих точках; в нашем случае
, (20.1)

так как
.

Таким образом, чем круче идет потенциальная кривая, тем больше сила, действующая на частицу вдоль соответствующего направления. На восходящих участках потенциальной кривой тангенсы углов наклона касательных положительны, следовательно, проекция силы отрицательна. Это значит, что направление силы, действующей вдоль данной оси, противоположно направлению этой оси, сила препятствует удалению частицы из системы (рис.26, точка ).

В точках же, соответствующих нисходящим участкам потенциальной кривой, проекции силы положительны , сила способствует дви-жению частицы вдоль данного направления (точка ). В точках, в которых
=0, сила на частицу не действует (точка).

3. Если же при удалении одной из частиц (в любом направлении) потенциальная энергия системы резко возрастает (потенциальная кривая «взмывает» вверх), то говорят о существовании потенциального барьера. Говорят о высоте барьера и его ширине в соответствую-

щих местах. Так, если частица находится в точке с координатой(рис.26), то ее потенциальная энергия равна
, высота потенциального барьера для нее
, ширина барьера
. Если потенциальный барьер встречается на пути частицы при ее движении, как в положительном, так и в отрицательном направлении выбранной оси, то говорят, что частица находится впотенциальной яме . Форма и глубина потенциальной ямы зависит от природы сил взаимодействия и конфигурации системы.

4. Приведем некоторые примеры. На рис.27 изображена потенци-

альная кривая тела, поднятого над Землей. Как известно, потенциальная энергия такого тела зависит только от одной координаты – высоты : = P .

Проекция силы тяжести на ось равна
.

Знак «минус» означает, что направление силы тяжести противоположно направлению оси. На рис.28 изображена потенциальная кривая тела, скрепленного с пружиной и совершающего колебания. Как видно из рисунка, такое тело находится в потенциальной яме с симметричными стенками. Потенциальная энергия этого тела и проекция силы, действующей на него, равны соответственно:

,
.

Кривая, изображенная на рис.29, характерна для взаимодействия атомов и молекул в твердом теле. Особенностью этой кривой является то, что она асимметрична; один край ее крутой, другой – пологий.

Наконец, кривая на рис.30 характеризует, в первом приближении, потенциальную энергию свободных электронов в металле. Стенки этой ямы почти вертикальны. Это значит, что сила, действующая на электроны на границе металла, весьма велика.

Гладкое горизонтальное дно ямы означает, что на электроны внутри металла сила не действует.

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

Пример 1. Определить работу по сжатию пружины железнодорожного вагона на 5 см, если под действием силы
пружина сжимается на

Решение. Пренебрегая массой пружины, можно считать, что при ее сжатии действует только переменная сила давления, равная по величине упругой силе, определяемой по закону Гука
. Работу этой силы при сжатии пружины на 5см надо определить. Считая на малом перемещении
силу постоянной, определим элементарную работу как

.

Здесь коэффициент жесткости пружины равен
.

Всю работу найдем взяв интеграл от
в пределах отх 1 = 0 до

х 2 = 5 см.

После вычислений будем иметь

.

Пример 2. Самолет массы m = 3 т для взлета должен иметь скорость =360км/ч и длину разбега S =600 м. Какова должна быть минимальная мощность мотора, необходимая для взлета самолета? Коэффициент трения k колес о землю равен 0,2. Движение при разгоне самолета считать равноускоренным.

Решение. В задаче требуется определить мгновенную мощность мотора в момент взлета самолета. Она и будет являться той минимальной мощностью, при которой самолет может еще набрать скорость, необходимую для взлета.

.

Силу тяги
определим из уравнения (второй закон динамики)

Ускорение найдем из уравнения равнопеременного движения
;

С учетом сделанных замечаний минимальная мощность равна

.

Пример 3. Скорость реактивного самолета на некотором участке меняется с расстоянием по закону
. Найти работу за промежуток времени (
, если масса самолетаm . В момент времени скорость равна

Решение. Примем, что работа равна разности кинетических энергий в моменты времени и, т.е.
. Необходимо определить закон изменения скорости со временем. Ускорение самолета
Откуда
. После интегрирования и потенцирования последнего выражения получим, что скорость в момент времениравна

Таким образом работа, за заданный промежуток времени, равна

Пример 4. Тело массой m под действием постоянной силы ветра движется прямолинейно, причем зависимость пройденного пути от времени меняется по закону
. Найти работу силы ветра за промежуток времени от 0 доt .

Решение. Работа силы ветра при малом перемещении тела равна

, где перемещение найдем как производную от пути по времени, т.е.
Сила по второму закону динамики равна

Полная работа за промежуток времени от 0 до t равна интегралу от

Пример 5. Шар массой
движется со скоростью
навстречу шару массой
, движущемуся со скоростью
. Найти величину и объяснить причину изменения кинетической энергии системы шаров после неупругого центрального удара.

Решение. Энергия системы шаров до удара

После неупругого удара шары будут двигаться с одинаковой скоростью u , которую найдем, применяя закон сохранения импульса

Энергия системы шаров после удара

.

Убыль кинетической энергии после удара

Изменение кинетической энергии расходуется на деформацию и в конечном счете на нагревание шаров:

Пример 6. Автомобиль массой
, движущийся по горизонтальному участку пути со скоростью
, развивает мощность, равную
. Какую мощность должен развивать автомобиль при движении его в гору с уклоном
с той же скоростью?

Определить крутизну спуска (угол наклона), по которому автомобиль будет идти со скоростью 30 км/час , при выключенном моторе.

Решение. 1) Мощность автомобиля при движении в гору будет определяться силой тяги и скоростью движения

Сила трения определяется как
, где сила нормального давления на наклонной плоскости
. Если считать коэффициент трения одинаковым на всем пути движения, то на горизонтальном участке он равен
. Сила трения может быть найдена из соотношения (при равномерном горизонтальном движении)
, т.е.
и
. Тогда сила трения на наклонной плоскости

Скатывающая сила равна
. С учетом сделанных замечаний мощность автомобиля, движущегося в гору будет равна

Подставим данные задачи

2) При движении под гору при выключенном двигателе сила тяги равна нулю. Действуют только скатывающая сила
и сила трения
С учетом их направления

-
,

откуда

.

Таким образом, крутизна спуска равна
.

Пример 7. Тяжелый шарик соскальзывает без трения по наклонному желобу, образующему ”мертвую петлю” радиуса R . С какой высоты шарик должен начать движение, чтобы не оторваться от желоба в верхней точке траектории?

Решение. Дана задача о неравномерно переменном движении материальной точки по окружности. Причем в процессе движения изменяется положение тела по высоте. Такие задачи решаются с применением закона сохранения энергии и составлением уравнения по второму закону динамики для направления нормали. Так как для замкнутой системы энергия остается неизменной, то запишем это в виде
.

Примем за начальное положение шарика начало движения, за конечное – положение в верхней точке траектории. Уровень отсчета высоты установим от поверхности стола.

Энергия шарика в первом положении
, во втором положении
. Следовательно
, откуда

. (1)

Для определения h необходимо знать скорость шарика в верхней точке. При этом учтем, что в верхней точке петли на шарик в общем случае действуют вниз две силы – сила тяжести Р и сила реакции со стороны опоры N . Под действием этих сил шарик движется по окружности, т.е.

При спуске с достаточно большой высоты шарик приобретает такую скорость, что в каждой точке петли давит на желоб с некоторой силой . По третьему закону Ньютона желоб действует на шарик с такой же по величине силойN в противоположную сторону и отжимает его на дугу окружности радиуса R .

По мере уменьшения начальной высоты скорость шарика уменьшается и при некотором значении h становится такой, что он пролетает верхнюю точку петли, лишь касаясь желоба. Для такого предельного случая N = 0 и уравнение второго закона динамики примет вид

или

откуда
(2)

Подставив (2) в (1) и решая последнее уравнение относительно h , получим

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.

1. Что называется энергией? Что называется кинетической энергией? Что называется потенциальной энергией?

2. Что такое работа? Как вычисляется работа постоянной и переменной силы?

3. Что такое мощность?

4. Какова связь между механической работой и кинетической энергией?

5. Докажите, что сила тяжести является консервативной силой.

6. Какова связь между работой консервативных сил и потенциальной энергией?

7.Что такое нулевой уровень потенциальной энергии? Как он выбирается?

8. Какова связь между потенциальной энергией тела и консервативной силой, действующей на него?

9. Что такое потенциальная яма и потенциальный барьер?

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Савельев И. В. Курс общей физики: в 3 т.; учебное пособие для вузов. т.1: Механика. Молекулярная физика. /И.В. Савельев.-4-е изд. стер.-СПб.: Лань, 2005.

Зисман Г. А. Курс общей физики. Т.1 /Г.А. Зисман, О.М.Тодес.– М.:Наука,1972.

Детлаф А. А. Курс физики: учебное пособие для втузов. /А.А. Детлаф, Б.М. Яворский.-4-е изд., испр.- М.: Высш.шк.,2002.- 718 с.

Трофимова Т.И. Курс физики: учебное пособие для вузов. /Т.И.Трофимова.- 7-е изд., стер.- М.: Высш. шк., 2001.- 541 с.

Чертов А.Г. Задачник по физике: учебное пособие для втузов./А.Г.Чертов, А.А.Воробьев.- 8-е изд., перераб. и доп.- М.: Физматлит, 2006.- 640 с.