Рисунок 9.6

Тяжелоатлет поднимает с пола штангу массой 200 Н на высоту 2 м. Сколько работы сделано?

1. 0\,\текст{J}

2. 100\,\text{J}

3. 200\,\text{J}

4. 400\,\text{J}

2.

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

• перенос телевизора 100\,\text{N} на второй этаж через 50\,\text{s} или
• нести 24\,\text{N} арбуз на второй этаж в 10\,\text{s}?

1. Перенос 100\,\text{N} телевизора генерирует больше энергии, чем перенос 24\,\text{N} арбуза на ту же высоту, потому что мощность определяется как проделанная работа, умноженная на временной интервал.

2. Перенос 100\,\text{N} телевизора генерирует больше энергии, чем перенос 24\,\text{N} арбуза на ту же высоту, потому что мощность определяется как отношение выполненной работы к интервалу времени.

3. Перенос 24\,\text{N} арбуза генерирует больше энергии, чем перенос 100\,\text{N} телевизора на ту же высоту, потому что мощность определяется как проделанная работа, умноженная на временной интервал.

4. Перенос 24\,\text{N} арбуза генерирует больше энергии, чем перенос 100\,\text{N} телевизора на ту же высоту, потому что мощность определяется как отношение выполненной работы к временному интервалу.

Проверьте свое понимание

3.

Укажите два свойства, которые выражаются в джоулях.

1. работа и сила

2. энергия и вес

3. работа и энергия

4. вес и сила

4.

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

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

9.3

Определите количества F , d , m , v ₁ и v 7 2 _{в этом событии.}

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, на которое падает орех, м — масса кокоса, v ₁ — начальная скорость, а v ₂ — скорость, с которой он достигает берега.
3. F — сила тяжести, равная весу кокоса, d — расстояние, на которое падает орех, м — масса земли, v ₁ — скорость с которой он попадает на берег, а v ₂ — начальная скорость.
4. F — сила тяжести, равная весу кокоса, d — расстояние, на которое падает орех, м — масса кокоса, v ₁ — скорость, с которой он падает на пляж, v ₂ — начальная скорость.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы «Проверить ваше понимание», чтобы оценить достижение учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся испытывают трудности с выполнением определенной задачи, функция «Проверить понимание» поможет определить, какая из них, и направит учащихся к соответствующему содержанию.

Механическая энергия

В предыдущей части урока 1 было сказано, что работа совершается над объектом всякий раз, когда на него действует сила, вызывающая его перемещение. Работа включает в себя силу, действующую на объект, вызывающую его перемещение. Во всех случаях, когда выполняется работа, существует объект, который обеспечивает силу для выполнения работы. Если книгу «Мировая цивилизация» поднять на верхнюю полку студенческого шкафчика, то учащийся прилагает усилия для выполнения работы над книгой. Если плуг перемещается по полю, то какое-либо сельскохозяйственное оборудование (обычно трактор или лошадь) обеспечивает силу, необходимую для работы плуга. Если питчер разворачивается и ускоряет бейсбольный мяч по направлению к домашней пластине, то питчер обеспечивает силу, необходимую для выполнения работы над бейсбольным мячом. Если автомобиль на американских горках перемещается от уровня земли к вершине первого спуска на американских горках, то цепь, приводимая в движение двигателем, обеспечивает силу, необходимую для выполнения работы над автомобилем. Если штанга перемещается от уровня земли на высоту над головой тяжелоатлета, то тяжелоатлет прилагает усилие для выполнения работы со штангой. Во всех случаях объект, обладающий той или иной формой энергии, обеспечивает силу для выполнения работы. В описанных здесь случаях объекты, выполняющие работу (ученик, трактор, кувшин, мотор/цепь), обладают химическая потенциальная энергия , хранящаяся в продуктах питания или топливе, которая преобразуется в работу. В процессе совершения работы объект, совершающий работу, обменивается энергией с объектом, над которым совершается работа. Когда над объектом совершается работа, этот объект получает энергию. Энергия, приобретаемая объектами, над которыми совершается работа, известна как механическая энергия .

Механическая энергия — это энергия, которой обладает объект вследствие его движения или положения. Механическая энергия может быть либо кинетической энергией (энергией движения), либо потенциальной энергией (запасенной энергией положения). Объекты обладают механической энергией, если они находятся в движении и/или если они находятся в каком-то положении относительно Положение с нулевой потенциальной энергией (например, кирпич, удерживаемый вертикально над землей, или положение с нулевой высотой). Движущийся автомобиль обладает механической энергией за счет своего движения (кинетической энергией). Движущийся бейсбольный мяч обладает механической энергией как из-за его высокой скорости (кинетическая энергия), так и из-за его вертикального положения над землей (потенциальная энергия гравитации). Книга «Мировая цивилизация», покоящаяся на верхней полке шкафчика, благодаря своему вертикальному положению над землей обладает механической энергией (потенциальной гравитационной энергией). Штанга, поднятая высоко над головой тяжелоатлета, благодаря своему вертикальному положению над землей обладает механической энергией (потенциальной гравитационной энергией). Натянутый лук обладает механической энергией из-за своего натянутого положения (упругой потенциальной энергией).

Предмет, обладающий механической энергией, способен совершать работу. На самом деле механическую энергию часто определяют как способность совершать работу. Любой объект, обладающий механической энергией — будь то в форме потенциальной энергии или кинетической энергии — способен совершать работу. То есть его механическая энергия позволяет этому объекту прикладывать силу к другому объекту, чтобы заставить его сместиться.

Можно привести множество примеров того, как объект с механической энергией может использовать эту энергию для приложения силы, вызывающей перемещение другого объекта. Классический пример — массивный шар-разрушитель машины для сноса. Мяч для разрушения представляет собой массивный объект, который отбрасывается назад в высокое положение и может качаться вперед в конструкцию здания или другой объект, чтобы разрушить его. При ударе о конструкцию разрушающий шар прикладывает к ней силу, чтобы вызвать смещение стены конструкции. На приведенной ниже диаграмме изображен процесс, посредством которого механическая энергия разрушающего шара может быть использована для выполнения работы.

Молоток — это инструмент, который использует механическую энергию для выполнения работы. Механическая энергия молотка дает молотку способность прикладывать силу к гвоздю, чтобы заставить его сместиться. Поскольку молоток имеет механическую энергию (в виде кинетической энергии), он может совершать работу с гвоздем. Механическая энергия – это способность совершать работу.

Другой пример, иллюстрирующий, как механическая энергия является способностью объекта выполнять работу, можно увидеть в любой вечер в местном боулинге. Механическая энергия шара для боулинга дает шару возможность приложить силу к кегли для боулинга, чтобы заставить ее сместиться. Поскольку массивный шар имеет механическую энергию (в виде кинетической энергии), он может совершать работу на штифте. Механическая энергия – это способность совершать работу.

Дротик — еще один пример того, как механическая энергия объекта может совершать работу над другим объектом. Когда дротик заряжен и пружины сжаты, он обладает механической энергией. Механическая энергия сжатых пружин дает пружинам возможность прикладывать силу к дротику, чтобы заставить его сместиться. Поскольку пружины обладают механической энергией (в виде упругой потенциальной энергии), они способны совершать работу над дротиком. Механическая энергия – это способность совершать работу.

Обычной сценой в некоторых частях сельской местности является «ветряная электростанция». Скоростные ветры используются для работы лопастей турбины на так называемой ветровой 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 (немеханическая форма энергии) и подается в дома и на предприятия для работы электроприборов. Поскольку движущийся ветер обладает механической энергией (в виде кинетической энергии), он может совершать работу на лопастях. Еще раз подчеркнем, что механическая энергия — это способность совершать работу.

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

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:

На приведенной ниже диаграмме показано движение Ли Бена Фардеста (уважаемый американский прыгун с трамплина) во время его скольжения. холм и совершает один из своих рекордных прыжков.

Полная механическая энергия Ли Бен Фардеста представляет собой сумму потенциальной и кинетической энергий. Две формы энергии в сумме дают до 50 000 Дж. Заметим также, что полная механическая энергия Ли Бен Фардеста является постоянной величиной на протяжении всего его движения. Существуют условия, при которых полная механическая энергия будет величиной постоянной, и условия, при которых она будет величиной изменяющейся. Это тема Урока 2 — отношения работы и энергии. А пока просто запомните, что полная механическая энергия — это энергия, которой обладает объект из-за его движение или его накопленная энергия положения . Общее количество механической энергии есть просто сумма этих двух форм энергии. И, наконец, объект с механической энергией способен совершать работу над другим объектом.

Следующий раздел:

Перейти к следующему уроку:

Работа, энергия и мощность | IOPSpark

Для некоторых студентов это будет повторением достаточно хорошо изученных тем. По этой причине вы можете захотеть ясно и кратко изложить основы физики в начале темы, чтобы дать учащимся как можно больше времени для выполнения эксперимента.

Далее

Подготовка к работе, энергетическая и силовая тема

В этих эпизодах учащиеся могут провести несколько полезных экспериментов с тележками , грузами, шкивами и т. д. Будет полезно, если вы заранее ознакомитесь с этим оборудованием и убедитесь, что колеса тележек и шкивов не имеют трения.

Будьте готовы справиться с экспериментами, результаты которых не показывают, что энергия сохраняется; это будет из-за передачи энергии из-за трения. Ваши ученики должны понимать, что ни одна практическая система не может быть идеальной; поверните ситуацию в свою пользу, начав дискуссию об идее энергоэффективности.

Также в этих эпизодах вы обнаружите, что есть возможности для регистрации данных . Невозможно предоставить экспериментальные рецепты, соответствующие каждому коммерческому варианту регистратора данных, поэтому вы должны быть готовы адаптироваться к имеющемуся у вас оборудованию. Проверьте сопроводительную документацию производителя для предлагаемых экспериментов.

Основные цели этой темы

Работа, энергия и мощность

Учащиеся будут:

Предварительные знания

Студенты, скорее всего, имеют простое представление об энергии и о том, как она передается силой. Они познакомятся с идеей сохранения энергии. В этих эпизодах вы можете расширить эти идеи, чтобы сделать их более количественными.

К чему это ведет

Прежде чем перейти к рассмотрению импульса, необходимо хорошо усвоить идеи о механической энергии.

Общие представления об энергии и ее сохранении пронизывают всю физику (да и всю науку). Многие конкретные результаты в других областях науки оказываются примерами энергосбережения. Закон Ленца в электромагнетизме, уравнение течения жидкости Бернулли.

Далее

Работа, совершаемая силой

В этом эпизоде ​​ученики должны научиться думать о силе как о механизме, с помощью которого энергия передается от одного тела к другому. Это происходит только тогда, когда сила движется в направлении силы.

Резюме урока

Обсуждение: вводное обсуждение

Для некоторых учащихся это повторение. Другие могут быть менее знакомы с концепциями. Используйте вопросы и ответы, чтобы установить знания группы.

Мы говорим, что работа совершается силой, когда рассматриваемый объект движется в направлении действия силы, и сила, таким образом, передает энергию от одного объекта к другому. Вы можете быть обычным учителем физики и использовать резиновую доску, чтобы проиллюстрировать свою точку зрения о приросте энергии. В качестве альтернативы используйте какой-нибудь другой более интересный объект, например модель Thunderbird One. Следующие вопросы должны помочь вам сформулировать идеи, использованные в последующем эксперименте:

Когда вы поднимаете массу (резиновую доску и т. д.), как сохраняется передаваемая энергия? (гравитационно)

Какая сила действует против движения? (мг) Мы говорим, что подъемная сила совершает работу против силы тяжести. Некоторым учащимся может показаться, что для подъема предмета требуется большее усилие, чем MG; однако, если объект поднимается с постоянной скоростью, он находится в равновесии, и подъемная сила просто уравновешивает вес. Это, конечно, игнорирует любое сопротивление воздуха и т. д.

Что такое g? (Здесь вы ищете напряженность гравитационного поля, а не ускорение под действием силы тяжести; возможно, вам придется нарисовать эту точку.)

Какие два фактора будут определять, сколько энергии вы потеряете (и, следовательно, энергии, переданной объекту)? (Величина силы и расстояние h, пройденное в направлении силы.)

Можете ли вы сформулировать уравнение, которое дает полученную энергию? ( м г ч )

Следовательно, сколько энергии потребуется для подъема объекта высотой ч ? ( м г ч )

Это говорит о том, что передаваемая энергия = сила × расстояние, пройденное в направлении действия силы. Это называется работой силы. По сути, мы использовали тот факт, что учащиеся знакомы с уравнением E _г  =  м г ч чтобы привести их к более общему уравнению для выполненной работы. Теперь вы должны отметить, что m g h — это просто частный случай проделанной работы.

Теперь вы можете протолкнуть резиновую доску или Thunderbird по лабораторному столу, чтобы показать работу, выполняемую против силы трения. В этом случае переданная энергия заканчивается накоплением тепла, так как поверхность скамейки нагревается. Относительно дешевая камера FLIR покажет более теплую поверхность.

Студенческий эксперимент: Эффективность пандуса

Вы можете показать устройство, установленное перед тем, как учащиеся попытаются провести этот эксперимент, и показать им, как заставить блок двигаться плавно. Значения масс для преодоления трения зависят от используемого вами аппарата, поэтому эксперимент необходимо опробовать перед уроком. Использование системы шкивов должно позволить учащимся получать достаточно стабильные результаты.

Этот простой эксперимент стал более интересным, если пересмотреть разрешение сил и рассмотреть общую проделанную работу как сумму работы против силы тяжести и работы против трения. Эта концепция повторяется в вопросах (ниже).

Эпизод 214-1: Работа, проделанная при подъеме груза с помощью рампы (Word, 39 КБ)

Вопросы учащихся: Расчет выполненной работы

Вы можете использовать некоторые из них в классе в качестве вопросов для обсуждения или в качестве проработанные примеры.

Эпизод 214-2: По равнине и в гору (Word, 75 КБ)

Скачать этот эпизод

Серия 214 — Работа, проделанная силой.doc

Далее

Силы на транспортных средствах

В этом кратком эпизоде ​​рассматриваются силы, воздействующие на транспортные средства при ускорении/торможении. Он учитывает влияние расстояния, на котором действует сила, а не время действия силы. Последнее требует понимания импульса.

Итоги урока

Обсуждение: Зачем пристегиваться ремнями безопасности?

Зачем пристегиваться ремнями безопасности? Студенты с радостью предложат ответы на этот простой вопрос. Позволь им. Затем поверните дискуссию к ответу, обрамленному физикой ситуации. Имейте в виду, что на данный момент они учитывают расстояние, на котором действует сила. Многие учащиеся захотят дать ответы с точки зрения времени, в течение которого происходит замедление. Это вполне разумный и, конечно, равнозначный аргумент. Тем не менее, это хорошая дисциплина, чтобы ограничить переменные силой и расстоянием.

Маловероятно, что в какой-то момент своей карьеры вы не будете обучать студента, попавшего в серьезную автомобильную аварию, или родственника, который получил такую ​​травму. Помните об этой возможности при обсуждении этой области и не относитесь к ней слишком легкомысленно.

Учащиеся должны уметь утверждать, что необходимо выполнить работу, чтобы остановить человека во время аварии. Ремни безопасности останавливают тело на большем расстоянии и, следовательно, уменьшают среднюю силу, действующую на тело.

Спросите: могут ли они придумать другие функции безопасности, которые функционируют аналогичным образом? Зоны деформации и защитные барьеры делают то же самое, что и ящики для яиц.

Демонстрация: Зачем пристегиваться ремнями безопасности?

Аналог ремней безопасности:

Развлекательная демонстрация, освещающая вопросы, поднятые в ходе обсуждения. Стоит ввести несколько цифр, чтобы почувствовать силу, с которой яйцо разбивается. Схема такого расчета предлагается в описании эксперимента. Это можно сравнить с силой, необходимой для того, чтобы разбить яйцо, добавив к нему ньютоновые гири. Сила, которую испытало яйцо при падении, во много раз превысит вес яйца. Точно так же сила, действующая на жертву аварии, может быть намного выше, чем вес тела.

Эпизод 215-1: Зачем пристегиваться? (Word, 43 КБ)

Вопросы учащихся: для обсуждения или домашнего задания

Эти вопросы охватывают ту же тему, что и в предыдущем эпизоде, но сосредоточены на применении W  =  F  ×  s к безопасности автомобиля.

Эпизод 215-2: Силы и безопасность автомобиля (Word, 26 КБ)

Скачать этот эпизод

Эпизод 215 — Силы на транспортных средствах. doc

Далее

Энергетические изменения

Этот эпизод расширяет идеи от кинетической энергии (и скорости), хранящейся до тормозного пути и работы. Включены два эксперимента, оба из которых связывают работу, выполненную при торможении, с начальным количеством энергии, запасенной в замедляющемся теле.

Итоги урока

Обсуждение: Работа, сила, расстояние

Вы установили, что работа = сила × расстояние. Перед тем, как приступить к практической работе, полезно сделать как можно более ясной связь между начальной запасенной энергией и работой, выполненной при торможении.

Тело кинетически запасает 1 МДж энергии и замедляется до состояния покоя. Сколько энергии сохраняется кинетически в конце? (0 Дж) Следовательно, какая работа была совершена над телом? (1 МДж)

Это может быть хорошей точкой для репетиции уравнения SUVAT: v ²  =  u ²  + плюс; 2 a с

Таким образом, при ускорении автомобиля с u до v м с ^-1 изменение Е _K = 12 M V ² — 12 M U ²

. Это только равносильнее, выполняемое работой, выполненной с помощью Accelerating Cistrate,

. Закон: F  =  m  ×  a M A S = 12 M V ² — 12 M U ² U ²

• .E.

  .E. .E. . против ²  =  u ²  + плюс; 2 a s

  Ученический эксперимент: перемещение кубика по скамейке

  Это очень эффективный и простой эксперимент. Блок получает начальный толчок, так что он скользит по скамейке. Он проходит через световые ворота, так что измеряется его скорость; затем измеряется расстояние, пройденное за воротами.

  Студенты должны быть в состоянии собрать очень большое количество результатов. Если у вас есть доступ к компьютерам и электронным таблицам в лаборатории, вы можете объединить все результаты вместе и позволить Excel построить графики (графики рассеяния без нарисованных линий позволяют учащимся практиковаться в интерпретации точек и рассеяния).

  Использование круглой массы означает, что точный путь, который она проходит через световые врата, не важен. С тщательно настроенным оборудованием вы обнаружите, что масса достаточно высока, чтобы преломить световой луч, как требуется.

  Неважно, вычисляет ли прибор для вас скорость или только измеряет период времени – последнее просто дает учащимся еще одну задачу.

  Следует подчеркнуть зависимость тормозного пути от квадрата скорости. Это связано с данными Правил дорожного движения, проанализированными ниже (в вопросах учащихся).

  Эпизод 216-1: Тормозной путь и скорость (Word, 34 КБ)

  Вопросы учащихся: изменения энергии

  Эти вопросы об автомобиле, движущемся по рельсам различной формы, требуют хорошего понимания связанных с этим изменений энергии.

  Эпизод 216-2: Слайд (Word, 24 КБ)

  Еще несколько вопросов, касающихся изменения энергии и проделанной работы, для прыгуна в высоту.

  Эпизод 216-3: Прыжок в высоту – изменение энергии (Word, 20 КБ)

  Скачать этот эпизод

  Эпизод 216 — Изменения энергии. doc

  Далее

  Сохранение энергии

  Принцип сохранения энергии лежит в основе большей части физики, изучаемой на этом уровне. Хотя в этом эпизоде ​​мы занимаемся сохранением механической энергии, полезно распространить принцип на его более широкий контекст, чтобы дать учащимся полное представление о всеохватывающей природе принципа, когда они встречаются с ним в разных обличьях.

  Итоги урока

  Обсуждение: Примеры сохранения энергии

  Расскажите о различных способах хранения энергии и обсудите физический процесс ее передачи. Сконцентрируйтесь на энергии, накопленной кинетически, гравитационно и термически. Представленная мощность как энергия, передаваемая в секунду (измеряется в ваттах). Диаграмму Санки можно использовать, чтобы показать, где рассеивается энергия.

  Обратите внимание, что некоторые учащиеся могут подумать, что сохранение энергии — это идеализированное понятие, и что в практических ситуациях энергия не сохраняется. Это неправильная идея. Энергия всегда сохраняется; в практических ситуациях некоторая энергия может быть рассеяна, поэтому сохранена термически, когда мы этого не хотим; однако правильный учет покажет, что общее количество энергии остается постоянным.

  Демонстрация: передача энергии

  В транспортных системах очень важно свести к минимуму рассеиваемую энергию. Эта демонстрация привлекает внимание к переносам, которые приводят к диссипации.

  В качестве альтернативного подхода можно попросить группу учащихся подготовить это как презентацию, которую они затем могут представить классу.

  Эпизод 217-2: Бесплатный транспорт? (Word, 136 КБ)

  Вопросы учащихся: Включая расчеты

  В этих вопросах используется идея о том, что в системе без трения энергия, накапливаемая гравитацией, затем накапливается кинетически, когда объект падает; то есть м г ч  = 12 м v ² .

  Эпизод 217-3: Энергосбережение (Word, 38 КБ)

  Скачать этот эпизод

  Эпизод 217 — Сохранение энергии. doc

  Далее

  Механическая мощность

  Мощность – это скорость, с которой совершается работа, т. е. скорость, с которой энергия передается силой. Вполне вероятно, что ваши студенты будут знакомы с этим определением. Возможно, они также изучали мощность в электрическом контексте.

  Резюме урока

  Многие из практических действий, предложенных ранее в этой теме, могут быть легко адаптированы для работы с питанием; просто измерьте время, в течение которого действует сила, и вычислите: мощность = выполненная работа затраченное время.

  Обсуждение: Значение силы

  Дайте определение силы – возможно, это будет повторением для ваших учеников. Спросите единицу измерения (ватт, Вт) и ее соотношение с базовыми единицами СИ

  (1 Вт = 1 кг·м ²  с ^-3 ).

  Примеры работы: Пример расчета; мощность = сила × скорость.

  Автомобильный двигатель создает поступательную силу 1000 Н. Если автомобиль движется со скоростью , какая мощность развивается?

  За 1 с автомобиль проезжает 20 м. Отсюда мы можем рассчитать:

  выполненная работа за 1 с = сила × расстояние

  выполненная работа = 1000 Н × 20 м

  выполненная работа = 20 кДж

  мощность = выполненная работавремя

  4

  мощность 9 кДж001 = 20 кВт

  Из этого примера вы можете указать, что мы могли бы также использовать альтернативную форму уравнения для мощности:

  мощность = сила × скорость

  например. мощность = проделанная работавремя

  мощность = сила × расстояние (в направлении действия силы) затраченное время,

  поэтому мощность = сила × скорость.

  (Однако это работает только в том случае, если скорость постоянна, т. е. сила равна , а не результирующей силе, действующей на движущийся объект.)

  Ученический эксперимент: простые измерения человеческой силы

  Учащиеся могут выполнять различные физические упражнения , например, поднимая измеряемые веса, и определяйте их полезную выходную мощность с помощью секундомера.