§ 15. Энергия

Определения и обозначения

Энергия — величина, которая показывает, какую работу может совершить тело или процесс. Простыми словами, она связана с возможностью что-то изменить: сдвинуть предмет, нагреть воду или зажечь лампу. По энергии можно понять, почему одни тела способны действовать на другие, а другие — нет.

Кинетическая энергия — энергия движущегося тела. Она связана именно с движением: катящийся мяч может сдвинуть лежащую на пути игрушку, потому что движется. Это понятие помогает объяснить, как движущиеся тела воздействуют друг на друга.

Потенциальная энергия — энергия, запасённая телом из-за его положения или взаимодействия с другими телами. Например, поднятый груз может упасть, а натянутая пружина — распрямиться. Такое понятие помогает увидеть запас энергии даже там, где предмет пока неподвижен.

Источник энергии — тело или процесс, от которого можно получить энергию для движения, нагревания, освещения или другой работы. Например, батарейка служит источником энергии для игрушки, а Солнце освещает и нагревает Землю. Это понятие нужно, чтобы отличать саму энергию от того, откуда её получают.

Как это устроено

Чтобы привести тело в движение, нагреть его или включить прибор, нужна энергия. Без неё не заработает мотор, холодная вода не станет горячей сама по себе, а выключенная лампа не будет светить. В быту мы замечаем действие энергии по изменениям: предмет начал двигаться, поверхность нагрелась или в комнате стало светлее. Так понятие связывает разные наблюдения общей причиной.

Кинетическая энергия появляется у тела, когда оно движется. Движущееся тело может толкнуть другое: например, катящийся по полу мяч сдвигает лёгкую игрушку. Чем быстрее движется тело, тем заметнее может быть его способность приводить другие тела в движение. Поэтому при сравнении важно смотреть не только на сам предмет, но и на то, движется ли он.

Запас энергии может быть связан не только с движением. Поднятый груз находится выше земли и при падении способен привести в движение другое тело, например качнуть игрушечную машинку. Натянутая пружина тоже может распрямиться и толкнуть предмет: запас возникает из-за её взаимодействия с тем, что её растянуло или сжало. В таких случаях говорят о потенциальной энергии, потому что тело может начать действовать благодаря своему положению или взаимодействию.

Механической энергией называют энергию, связанную с движением и положением тел. Но существуют и другие виды энергии. Нагретый чай обладает тепловой энергией, электрический ток помогает работать приборам, а свет Солнца освещает предметы. В пище и топливе запасена химическая энергия: она может высвобождаться при изменениях веществ и помогать организму двигаться или огню гореть.

Энергия может переходить из одного вида в другой, потому что тела взаимодействуют и меняются. Когда мяч падает, его положение меняется: потенциальная энергия уменьшается, а движение становится быстрее, значит, возрастает кинетическая энергия. В лампе электрическая энергия превращается в световую и тепловую. Поэтому при превращении энергия не исчезает бесследно, а проявляется иначе.

Виды энергии и примеры

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найди, что происходит с телом: оно движется, нагрето или излучает свет. Затем сравни это с колонкой о связи и выбери подходящий вид энергии. У одного предмета могут быть разные виды энергии, например у включённой лампы есть электрическая, световая и тепловая энергия.

Разбор задач

Движущийся велосипед

Условие. Назови, какая энергия есть у движущегося велосипеда. В условии сказано, что велосипед едет, значит, он меняет своё положение и движется. Нужно определить вид энергии по этому признаку, а не по тому, чем велосипед приводится в движение.

1. Найди главное слово в условии: велосипед движется.
2. Вспомни, что энергия движения называется кинетической.
3. Сделай вывод: у едущего велосипеда есть кинетическая энергия.

Ответ. У движущегося велосипеда есть кинетическая энергия. Если велосипед остановится, его кинетическая энергия движения исчезнет, но это не означает, что энергия вообще исчезла: она могла перейти в другие виды при торможении.

Мяч над землёй

Условие. Мяч подняли над землёй, а затем отпустили. Нужно назвать энергию мяча до падения и проследить, что происходит при падении. Мяч сначала неподвижен, поэтому важно учитывать не только движение, но и его положение.

1. До падения мяч находится выше земли, значит, у него есть потенциальная энергия.
2. После отпускания мяч начинает падать и двигаться вниз.
3. Во время падения потенциальная энергия переходит в кинетическую: движение мяча становится быстрее.

Ответ. До падения у мяча есть потенциальная энергия. При падении она превращается в кинетическую; энергия меняет вид, а не исчезает бесследно.

Электрическая лампа

Условие. Лампа включена в сеть. Нужно назвать, какая энергия поступает к лампе и во что она превращается. Сначала отметь, откуда лампа получает энергию, затем подумай, какие изменения можно заметить при её работе.

1. По проводам к лампе поступает электрическая энергия.
2. Лампа светится, значит, часть энергии становится световой.
3. Лампа также нагревается, поэтому часть энергии превращается в тепловую.

Ответ. К лампе поступает электрическая энергия, которая превращается в световую и тепловую. Это пример того, как один прибор может передавать энергию сразу в несколько видов.

Типичные ошибки

Ошибка — считать энергией только движение и забывать о запасе энергии у неподвижных тел. Так думают, потому что движение заметно сразу, а запас может быть скрыт. Проверь себя: может ли тело начать действовать, если его отпустить? Поднятый груз может упасть, а натянутая пружина — распрямиться.

Кинетическую и потенциальную энергию иногда путают, потому что обе могут быть у одного и того же предмета в разное время. Первая связана с движением, вторая — с положением или взаимодействием. Проверь, какое условие указано: тело движется или оно поднято, растянуто либо сжато. Это поможет выбрать название.

Неверно думать, что энергия исчезает при превращении. Такое впечатление возникает, когда перестаёт быть заметен прежний вид энергии: например, мяч уже не летит вверх. Проверь, не появились ли другие изменения — движение, нагрев или свет. Энергия может перейти в другие виды, а не пропасть бесследно.

Источник энергии и энергия — не одно и то же. Ошибка возникает, когда их называют одним словом: например, путают батарейку и энергию, которую она отдаёт прибору. Спроси себя: это то, откуда энергию получают, или способность совершить работу? Батарейка — источник, а энергия поступает от неё к игрушке.

Связь с другими темами

Для понимания энергии пригодятся знания о том, что тела движутся и взаимодействуют, нагреваются и излучают свет. Позже это понятие поможет разбираться в механических, тепловых и электрических явлениях, а также в работе машин и бытовых приборов. Энергию получают из топлива, электричества и других источников, поэтому её бережное использование помогает не расходовать ресурсы зря.

Что запомнить

• Энергия связана со способностью совершать работу и вызывать изменения.
• Движущееся тело обладает кинетической энергией.
• Поднятое тело может обладать потенциальной энергией.
• Энергия встречается в разных видах: тепловом, электрическом, световом и других.
• При превращениях энергия меняет вид, а не исчезает бесследно.
• Источники энергии помогают получать её для нужд человека.