Предметная комиссия
общеобразовательных дисциплин
Федеральное
агентство по атомной энергии федеральное
государственное образовательное
учреждение высшего
профессионального образования Новоуральский
Государственный ТехнологическиЙ
Институт
уральский
политехнический колледж
Директор УрПК НГТИ
_______________ А.А. Басилая
"_____" ______________ 2008 г.
Проверка закона сохранения энергии
при действии сил тяжести и упругости
Методические указания
для выполнения лабораторной работы
по учебной дисциплине «Физика»
для студентов Уральского политехнического колледжа,
обучающихся по программе среднего профессионального образования
(базовый уровень)
Новоуральск 2008
Цель работы
Цель лабораторной работы – измерить максимальную скорость тела, колеблющегося на пружине, с использованием закона сохранения энергии.
1 Теория
Механическая энергия
/От греч. energeia - деятельность /
Энергия - скалярная физическая величина, являющаяся единой мерой различных форм движения материи и мерой перехода движения материи из одних форм в другие.
Различают следующие виды энергии: механическая (кинетическая, потенциальная), гравитационная, электрическая, ядерная и др.
Обозначения отдельных видов энергии могут быть различными: W , Е и др.
В системе СИ единица измерения энергии: джоуль [ Дж ].
Энергия характеризует способность системы (тела) совершать работу.
Мерой изменения энергии системы тел ∆W является работа А, совершаемая системой тел:
|
А = ∆W = W2 - W1 |
(1) |
Механическая энергия характеризует механическое движение и взаимодействия тел.
Полная энергия механической системы равна сумме кинетической и потенциальной энергии этой системы.
Кинетическая энергия
/От греч. kinema – движение /
Кинетическая энергия –энергия движения.
Кинетическая энергия – это мера (т.е. характеристика) механического движения тела, зависящая от скорости его движения (в заданной инерциальной системе отсчета).
Кинетическая энергия является скалярной величиной, равной половине произведения массы тела на квадрат скорости его поступательного движения:
|
|
(2) |
Потенциальная энергия
/От лат. potentia - возможность /
Потенциальная энергия - энергия взаимодействия тел ( или частей тела). Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли, растяжением пружины и т.п.). Понятие потенциальной энергии можно ввести для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями. Такие силы называются консервативными. (Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю). Свойством консервативности обладают, например: 1) сила тяжести и 2) сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.
Энергия тела, поднятого над Землей
Тело, поднятое над поверхностью Земли на высоту h, обладает запасом потенциальной энергии:
|
W пот.= mgh |
(3) |
При падении тела работу совершают сила тяжести. Эта работа равна изменению потенциальной энергии в двух состояниях: А = ∆W = W пот.2 - W пот.1. При этом потенциальная энергия может перейти, например, в кинетическую энергию.
Значение потенциальной энергии на поверхности Земли (h0=0) обычно принимают, равным нулю. Тогда работа силы тяжести в этом случае А = ∆W = W пот. = mgh .
Энергия деформированной пружины
Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией упругой пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину:
|
|
(4) |
где W упр. - потенциальной энергия упругой пружины, Дж;
k – жесткость пружины, Дж/м2;
x – величина деформации (растяжения или сжатия), м.
Потенциальная энергия упругой пружины - энергия взаимодействия (частей тела).
При возвращении пружины в исходное (недеформированное) состояние работу совершают силы упругости. При этом работа равна изменению потенциальной энергии в двух состояниях: А = ∆W = W пот.2 - W пот.1 , и потенциальная энергия может перейти в другие формы энергии, например, в кинетическую энергию, тепловую и др.