"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Энергия показывает, способно ли тело или система тел совершить работу. Она бывает кинетической — связанной с движением, и потенциальной — зависящей от взаимодействия и положения тел. Механическая энергия складывается из этих двух видов. Энергия может переходить из одного вида в другой: например, при падении тела потенциальная энергия превращается в кинетическую, а часть энергии из-за сопротивления воздуха — во внутреннюю.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Энергия — физическая величина, характеризующая способность тела или системы тел совершать работу. Её обозначают буквой E, а измеряют в джоулях (Дж). Это понятие помогает оценить, какие изменения тело может вызвать благодаря своему движению или взаимодействию с другими телами.
Кинетическая энергия — энергия движущегося тела. Она зависит от массы тела и его скорости: чем больше масса или скорость, тем больше энергия. Понятие нужно, чтобы описывать запас энергии у автомобиля, летящего мяча или любого другого движущегося объекта.
Потенциальная энергия — энергия взаимодействия тел или частей одного тела, зависящая от их взаимного положения. Она может быть у неподвижного груза, поднятого над землёй, или у сжатой пружины. Такой вид энергии показывает, какую работу способно совершить взаимодействие при изменении положения или формы.
Механическая энергия — сумма кинетической и потенциальной энергий тела или системы тел: Eмех = Eк + Eп. Она учитывает сразу энергию движения и энергию взаимодействия. Это позволяет проследить, как один вид механической энергии превращается в другой.
Энергия связана с работой потому, что работа изменяет состояние тела или системы. Если сила разгоняет тело, совершённая работа увеличивает его кинетическую энергию; если тело поднимают, работа увеличивает его потенциальную энергию. Поэтому работа служит способом передачи энергии от одного тела к другому или от одного вида энергии к другому.
Движущееся тело может толкнуть другое тело, сжать пружину или поднять груз, значит, оно способно совершить работу. Именно поэтому у него есть кинетическая энергия. При одинаковой скорости тяжёлое тело обладает большим её запасом, а зависимость от квадрата скорости означает: увеличение скорости в два раза увеличивает кинетическую энергию в четыре раза.
Потенциальная энергия появляется благодаря взаимодействию и расположению тел. Поднятый над землёй груз притягивается Землёй, поэтому при падении сила тяжести может совершить работу; относительно выбранного уровня его энергия равна Eп = mgh. У деформированной пружины энергия возникает потому, что её части стремятся вернуться к исходной форме, причём запас зависит от величины деформации.
Механическая энергия складывается из кинетической и потенциальной. У тела, падающего с высоты, вначале велика потенциальная энергия, а скорость мала; во время падения высота уменьшается, скорость растёт, поэтому потенциальная энергия переходит в кинетическую. Непосредственно перед ударом кинетическая энергия наибольшая, если сопротивлением воздуха можно пренебречь.
Превращение энергии не означает её исчезновения. В идеальной системе без трения механическая энергия сохраняется: при подъёме тела кинетическая энергия снова может стать потенциальной, а при спуске происходит обратное. В реальном процессе сопротивление воздуха и трение переводят часть механической энергии во внутреннюю, поэтому нагреваются тела и механическая энергия системы уменьшается.
| Вид энергии | У кого или у чего есть | От чего зависит | Пример |
|---|---|---|---|
| Кинетическая | У движущегося тела | От массы и квадрата скорости | Движущийся мяч |
| Потенциальная гравитационная | У тела во взаимодействии с Землёй | От массы, ускорения свободного падения и высоты | Груз на полке |
| Потенциальная упругой деформации | У деформированной пружины или другого упругого тела | От свойств тела и величины деформации | Сжатая пружина |
| Механическая энергия системы | У системы тел | От суммы кинетической и потенциальной энергий | Падающий груз |
Сначала определите, движется ли тело и взаимодействует ли оно с другими телами или частями самого себя. Затем выберите подходящую строку и проверьте, какие величины известны в условии. Для системы тел учитывайте все относящиеся к ней кинетические и потенциальные энергии.
Задача 1. Тело массой 2 кг движется со скоростью 3 м/с. Найдём его кинетическую энергию. Используем формулу для движущегося тела, поэтому сначала возводим скорость в квадрат.
Ответ: кинетическая энергия тела равна 9 Дж.
Задача 2. Груз массой 4 кг подняли на высоту 2 м относительно пола. Поскольку высота отсчитывается от пола, именно пол принимаем за нулевой уровень. Применяем формулу гравитационной потенциальной энергии.
Ответ: потенциальная энергия груза относительно пола равна 80 Дж.
Задача 3. Мяч массой 0,5 кг падает с высоты 5 м, сопротивлением воздуха пренебрегаем. В начале у него есть потенциальная энергия, а перед ударом — кинетическая. При сохранении механической энергии приравниваем эти величины.
Ответ: скорость мяча непосредственно перед ударом равна 10 м/с.
Ошибка: считать энергию и работу одним и тем же. Так происходит, потому что обе величины измеряются в джоулях. Проверьте себя: энергия является запасом способности совершить работу, а работа описывает передачу энергии при действии силы.
Ошибка: путать кинетическую энергию с потенциальной. Причина — обе могут существовать у одного тела, но кинетическая связана с движением, а потенциальная — с взаимодействием и положением. Спросите себя, что изменится при полной остановке тела: исчезнет кинетическая энергия, но потенциальная может остаться.
Ошибка: забывать квадрат скорости в формуле Eк = mv²/2. Из-за этого при удвоении скорости получают только удвоение энергии вместо увеличения в четыре раза. Перед вычислением проверьте, стоит ли скорость именно в квадрате.
Ошибка: указывать потенциальную энергию без уровня отсчёта. Высота измеряется относительно выбранного нулевого уровня, поэтому без него значение гравитационной энергии неоднозначно. Проверьте, от какой поверхности или точки отсчитывается высота в условии.
Для изучения энергии нужны понятия работы, массы, скорости, высоты и силы тяжести. Работа связывает изменение энергии с действием силы, а масса, скорость и высота входят в основные формулы. Умение переводить единицы в СИ помогает получать ответ в джоулях.
Понятия энергии и её превращений станут основой закона сохранения энергии. Они также пригодятся при изучении тепловых процессов, где механическая энергия может переходить во внутреннюю, и при объяснении работы механизмов.
Чем энергия отличается от работы?
Энергия характеризует состояние тела или системы и их способность совершать работу. Работа является способом передачи энергии: при её совершении энергия тела может увеличиться, уменьшиться или перейти к другому телу.
Почему у неподвижного поднятого тела есть энергия?
Поднятое тело взаимодействует с Землёй и может начать двигаться вниз. При падении его потенциальная энергия превращается в кинетическую, поэтому даже неподвижное тело способно совершить работу.
От чего зависит кинетическая энергия тела?
Она зависит от массы тела и квадрата его скорости: Eк = mv²/2. Поэтому при одинаковой скорости более тяжёлое тело имеет большую кинетическую энергию, а при увеличении скорости вдвое энергия возрастает в четыре раза.
Почему потенциальную энергию указывают относительно выбранного уровня?
Гравитационная потенциальная энергия зависит от высоты тела над некоторым уровнем: Eп = mgh. Если выбрать другой нулевой уровень, численное значение энергии изменится, хотя физические превращения останутся теми же.
Всегда ли механическая энергия сохраняется при превращениях?
Нет, в реальных процессах часть механической энергии может переходить во внутреннюю из-за трения и сопротивления воздуха. Полная энергия при этом сохраняется, но сумма кинетической и потенциальной энергий уменьшается.
§ 14. Энергия
