Энергия
Если система тел может совершить работу, то говорят, что она обладает энергией. Для совершения работы необходимо, чтобы на тело действовала та или иная сила.
Совершая работу, тело переходит из одного состояния в другое, в котором их энергия минимальна: груз опускается, пружина распрямляется. Вообще говоря, в природе все устроено так, что любая система стремится перейти в такое состояние, в котором его энергия минимальна. Например, если поместить каплю воды в невесомость, то она примет форму шара, потому что в такой форме она обладает минимальной энергией. При совершении работы энергия постепенно расходуется. Для того чтобы система опять приобрела способность совершать работу, необходимо изменить ее состояние: увеличить скорости тел, поднять тело вверх или деформировать.
Энергия в механике – это физическая величина, определяемая состоянием системы – положением тел и их скоростей.
Изменение энергии при переходе из одного состояния в другое равно работе внешних сил.
Энергия в природе – два вида |
|
Кинетическая – это энергия движения, ей обладает только движущееся тело. Ek
=
|
Потенциальная – это энергия взаимодействия. Например, ей обладает любое тело, поднятое над поверхностью земли на некоторую высоту. Ep = m·g·h |
Теорема об изменении кинетической энергии:
Изменение кинетической энергии тела за некоторый промежуток времени равно работе, совершенной за это время силой, действующей на тело: A = ΔEk2 – ΔEk1 = ΔEk (работа равна приращению кинетической энергии)
Если работа положительна, то кинетическая энергия тела увеличивается.
Если работа отрицательна, то кинетическая энергия уменьшается.
Работа равна убыли потенциальной энергии: A = - (ΔEp2 – ΔEp1) = - ΔEp
Работа силы тяжести: A = - m·g·(h2-h1) - работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии.
Когда сила тяжести совершает отрицательную работу, то потенциальная энергия увеличивается.
Когда сила тяжести совершает положительную работу, то потенциальная энергия уменьшается.
Работа определяет лишь изменение потенциальной энергии, поэтому лишь изменение энергии имеет физический смысл. Поэтому можно произвольно выбрать состояние системы, в котором ее потенциальная энергия считается равной нулю. Этому состоянию соответствует нулевой уровень потенциальной энергии. Обычно в качестве состояния с нулевой потенциальной энергией выбирают состояние системы с минимальной энергией. Тогда потенциальная энергия системы всегда положительна.
Ответить на вопрос: Что происходит с потенциальной энергией тела, которое 1) бросают вверх, 2) падает вниз?
Работа
силы упругости:
A
=
,
где κ – коэффициент упругости, Δl
– удлинение тела.
Например,
работа силы упругости зависит только
от деформации пружины, определяемой
начальной и конечной длиной пружины:
A
= -
(ΔEp2
– ΔEp1)
-
.
Закон сохранения энергии
Законы сохранения справедливы только для замкнутой системы тел.
Потенциальная энергия зависит только от расстояния между телами. Кинетическая энергия зависит только от скорости тела. Кинетическая энергия всегда положительна. Потенциальная энергия может быть как положительной, так и отрицательной.
И потенциальная и кинетическая энергии точно определены, если известны координаты и скорости всех тел системы.
В замкнутой системе тел положительная работа внутренних сил всегда приводит к увеличению кинетической энергии, но обязательно уменьшает энергию потенциальную:
-
ΔEp = - A
ΔEk = A
И потенциальная и кинетическая энергии точно определены, если известны координаты и скорости всех тел системы. Благодаря этому выполняется закон сохранения энергии: ΔEk = - ΔEp .
E = ΔEk + ΔEp - полная механическая энергия системы.
В замкнутой системе механическая энергия сохраняется: E = ΔEk + ΔEp = const.
Например:
+
m·g·h
= const
или
+ m·g·h1
=
+ m·g·h2
– это уравнение позволяет находить
скорость камня v2
на любой высоте h2
над Землей, если известна начальная
скорость v1
камня на исходной высоте h1.
Закон сохранения энергии обобщается для любого количества тел.
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ГАЗАХ
В обычном состоянии газы являются изоляторами, то есть не проводят электрический ток.
1
– газовый промежуток, 2 – аккумуляторная
батарея, 3 – гальванометр.
В этом достаточно легко убедиться, посмотрев, что при выключении рубильника или повороте выключателя между участками электрической цепи образуется воздушный промежуток и при этом ток перестает течь по цепи. Изолирующие свойства газа объясняются тем, что атомы и молекулы газов в естественном состоянии являются нейтральными, незаряженными частицами. Поэтому в обычных условиях в газе почти нет свободных носителей заряда, движение которых может создать электрический ток.
Для того чтобы сделать газ проводящим, нужно тем или иным способом внести в него или создать в нем свободные носители заряда – заряженные частицы. Возможны два случая:
Эти заряженные частицы создаются действием какого-либо внешнего фактора или вводятся в газ извне. (Возникает несамостоятельная проводимость газа)
Создаются в газе действием самого электрического поля, существующего между электродами. (Возникает самостоятельная проводимость газа)