- •Тема 1. Кинематика поступательного и вращательного движения
- •Тема 2. Динамика поступательного движения. Элементы специальной теории
- •Тема 3. Динамика вращательного движения
- •Тема 4. Работа и энергия. Законы сохранения в механике
- •Тема 5. Распределение Максвелла и Больцмана
- •Тема 6. Средняя энергия молекул
- •Тема 7. Первое начало термодинамики. Работа при изопроцессах
- •Тема 8. Второе начало термодинамики. Энтропия
- •Тема 9. Электростатическое поле в вакууме
Тема 4. Работа и энергия. Законы сохранения в механике
Элементарная
работа силы равна
,
работа на всем пепемещении ранв интегралу
.
Работа постоянной силы - скалярное произведение силы и перемещения:

(Скалярное произведение векторов – скалярная величина равная произведению длин векторов на синус угла между ними или сумме произведений соответствующих координат).
Работа переменной силы интеграл от силы по перемещения:
геометрически,
равная площади фигуры под графиком
зависимости силы от перемещения.
Мощность – работа, совершаемая за одну секунду
.
Единица измерения работы – Джоуль - [A]= Дж; единица измерения мощности – ватт - [N]=Вт.
В любой физической системе при совершении работы происходит изменение энергии. Энергия – физическая величина, характеризующая состояние системы.
Кинетическая энергия – энергия движения:
-
кинетическая энергия поступательно
движущегося тела;
-
кинетическая энергия вращающегося
тела;
–КЭ
тела движущегося поступательно и
вращающегося (например, колесо автомобиля)
Теорема о кинетической энергии – приращение кинетической энергии частицы на некотором перемещении равно алгебраической сумме работ всех сил, действующих на том же перемещении
.
Отметим, что мощность всех сил, действующих на тело равна скорости изменения кинетической энергии тела
.
Потенциальная энергия – энергия взаимодействия, расчетные формулы для разных видов взаимодействия будут разными, например
а)
потенциальная энергия тела массы m,
поднятого на высоту h над поверхностью
Земли: 
б)
ПЭ гравитационного взаимодействия
двух тел -
;
в)
ПЭ упруго деформированной пружины -
.
Теорема
о ПЭ – изменение потенциальной энергии
взятое с противоположным знаком равно
работе сил, действующих на тело:
.
Если тело движется в потенциальном поле, на него со стороны поля действует сила равная градиенту потенциала поля и направленная противоположно направлению увеличения потенциальной энергии:
.
Закон сохранения механической энергии: в замкнутой системе энергия не исчезает, она превращается из одного вида в другой, полная механическая энергия не изменяется: Е = П+К = const
Пример
4.1. На рисунке изображены зависимости
ускорений трех прямолинейно движущихся
материальных точек одинаковой массы
от координаты х.
Для работ A1, A2, A3 сил, действующих на точки, справедливо следующее соотношение:
А1> А2> А3 А1< А2> А3
А1< А2< А3 А1> А2< А3
Решение: по второму закону Ньютона F = ma, т.е. график зависимости ускорения от времени имеет вид графика зависимости силы от времени. Мы отмечали, что работа геометрически равна площади фигуры под графиком зависимости силы от перемещения, т.е. фигура между осью х и линией силы. Самая большая площадь под линией 1, затем 2 и 3, следовательно s1> s2> s3, А1> А2> А3.
Пример 4.2. На рисунке показан вектор силы, действующей на частицу. Чему равна работа, совершенная этой силой при перемещении частицы из начала координат (0,0) в точку с координатами (5,2)?
Решение:
по определению
.
Сила постоянна и равна
(см. рис.),
.
Пример
4.3. Частица совершила перемещение из
точки 1 с радиус-вектором
в точку 2 радиус-вектором
.
При этом на нее действовала сила
.
Чему равна работа силы7
Решение: воспользуемся формулой из предыдущего примера
.
Пример
4.4. Частица движется в двумерном поле,
причем ее потенциальная энергия задается
функцией
.
Чему равна работа сил поля (в Дж) по
перемещению частицы из точки С(1,1,1) в
точку В(2,2,2)?
Решение:
)
величина
силы равна длине вектора:
.
Пример
4.5. В потенциальном поле сила F
пропорциональна потенциальной энергии
П. Если график зависимости потенциальной
энергии от координаты имеет вид (см.
рис.), то зависимость проекции силы Fx
на ось х будет …

Решение:
потенциальная энергия линейно зависит
от координаты
.
Проекция силы на ось х равна производной
энергии по координате, взятой с
противоположным знаком:
Ответ:
график (1).
Пример 4.6. Тело массы m=100 г бросили с поверхности земли с начальной скоростью V0 = 10 м/с под углом α=30° к горизонту. Если пренебречь сопротивлением воздуха, средняя мощность, развиваемая силой тяжести за время падения тела на землю, равна …
Решение:
мощность – это изменение энергии за
единицу времени
.
Потенциальная энергия в верхней точке
траектории равна кинетической энергии
в начальный момент
.
Время падения равно времени подъема. В верхней точке траектории vy обращается в ноль, используем формулу скорости:


Ответ:

Пример 4.7. Диск в одном случае скатывается без проскальзывания с наклонной плоскости высотой h, а в другом случае соскальзывает с нее. Если трением можно пренебречь, то отношение скоростей диска v1/v2 у основания наклонной плоскости будет равно:

Решение:
1) диск скатывается без проскальзывания
т.е. движется поступательно и вращается
– кинетическая энергия
,
вспомним
, момент
инерции диска
.
Кинетическая энергия
внизу равна потенциальной энергии в
верхней точке наклонной плоскости:
,
.
2)диск
соскальзывает, т.е. движется поступательно -

,
.
Отношение
скоростей, равно:
.
Пример 4.8. Сплошной и полый цилиндры, имеющие одинаковые массы и радиусы, скатываются без проскальзывания с горки высотой h. Тогда верным утверждением относительно времени скатывания к основанию горки является следующее:
быстрее скатится полый цилиндр
быстрее скатится сплошной цилиндр
оба тела скатятся одновременно
Решение: время скатывания тем меньше, чем больше скорость тела к конце горки. При скатывании происходит превращение потенциальной энергии в кинетическую
,
,
Из
последнего выражения следует, что
конечная скорость будет больше для тела
с меньшим моментом инерции. Момент
инерции полого цилиндра (
больше момента
инерции сплошного цилиндра (
),
значит, сплошной цилиндр скатится
быстрее.
Пример 4.9. Сплошной и полый цилиндры, имеющие одинаковые массы и радиусы, вкатываются без проскальзывания на горку. Если начальные скорости тел одинаковы, то какой цилиндр поднимется выше и чему равно отношение высот h1/h2 …
7/10 14/15 ¾ 1
Решение:
при движении вверх происходит превращение
кинетической энергии в потенциальную,
см. формулы предыдущего задания:
,
выше
поднимется тело с большей кинетической
энергией, т. е. большим моментом инерции
- полый цилиндр. Отношение
высот равно
.
Кроме
энергии состояние движущегося тела
характеризует импульс
или количество движения тела :
.
В
соответствии со вторым законом Ньютона
сила, действующая на тело равна скорости
изменения импульса тела под действием
этой силы
, отсюда
следует
=
- приращение импульса, иногда произведение
(
)
называют импульсом силы.
Закон
сохранения импульса
– в инерциальной системе отсчета полный
импульс замкнутой физической системы
остается в процессе движения постоянным
.
Пример 4.10. Импульс материальной точки изменяется по закону
.
Модуль
силы (в Н), действующей на точку в момент
времени t
= 4 c,
равен …
Решение:
согласно второму закону Ньютона скорость
изменения импульса материальной точки
равна действующей на нее силе:
.
Тогда зависимость силы от времени имеет
вид
.
Модуль
силы
.
Пример 4.11. Шар массой m1=200г, движущийся со скоростью v1 = 3 м/с, налетает на покоящийся шар m2=5m1. Если удар абсолютно неупругий, скорость шаров (в м/с) после удара равна:
0,5
0,6
2
1,67
Решение:
закон сохранения импульса для этого
случая
.
.
