НОУ Лицей №36 ОАО «РЖД»

Международный конкурс научно-технических работ школьников
«Старт в науку»
ЗАКОН СОХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ В МЕХАНИКЕ
Автор: Чичерин Лев, 7 класс
НОУ «Лицей №36 ОАО «РЖД»
Руководитель: Силенко Г.П.,
учитель физики лицея №36 ОАО «РЖД»
г. Иркутск, 2012-2013 уч.г.
Содержание
Введение…………………………………………………………… …...… стр.3
Виды энергии……………………………………………………………
Закон сохранения энергии
… стр.4
……………………………….………... ......стр.7
Практическая часть……………………………………………………
стр.8
Заключение ……………………………………………………………
стр.13
Список литературы….….…….………………………………………
…..стр.14
Приложение………………………………………………………………
..стр.15
Введение
Для подлинного проникновения духом физической науки чрезвычайно важно
отказаться от ложного убеждения, будто в области элементарных явлений нечего уже
больше делать, будто все здесь исследовано до конца и не может быть интереса
останавливаться на рассмотрении подобных азбучных положений.
В этой работе освещается один из самых важных, самых основных законов
природы – закон сохранения энергии.
Цели и задачи
Вызывает естественный интерес тот факт, что энергия не возникает и не
уничтожается, а только переходит из одного вида в другой.
В связи с этим работа приобрела цель:
-экспериментально доказать справедливость закона сохранения механической
энергии.
Для реализации цели были поставлены задачи:
-изучить учебную, научно-популярную литературу по теме;
-изготовить модели для демонстрации законов сохранения энергии в механике;
- провести эксперименты;
-подтвердить результаты экспериментов вычислениями.
Виды энергии
Механическая энергия
Не всякое тело и не в любом состоянии способно совершить
работу.
Если тело способно производить работу, то оно обладает энергией. Этот вид
энергии называется механической энергией.
Энергия - физическая величина, показывающая, какую работу может совершить
тело или несколько тел.
Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает.
Очень легко взять ручку со стола. Мы даже не замечаем затраченной энергии. Но вот
поднять мешок с картошкой уже труднее, нужно приложить большую силу, а значит, и
энергии надо затратить больше. При совершении работы энергия тел изменяется.
Совершенная работа равна изменению энергии. В механике различают два вида энергии:
потенциальную и кинетическую.
Потенциальная энергия
Потенциальной энергией Еп называется энергия, которая определяется взаимным
расположением взаимодействующих тел (или частей одного и того же тела).
Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности
Земли; всякое упругое деформированное тело (пружина). Потенциальная энергия зависит
от массы тела и высоты, на которую оно поднято. Чем больше высота, на которую
поднято тело, и чем больше его масса, тем больше его потенциальная энергия.
Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в
отбойных молотках и т.д.
Кинетическая энергия
Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется
кинетической энергией Ек. Кинетической энергией, например, обладают ветер, вода и
любое движущееся тело. Чем больше масса и скорость, с которой тело движется, тем
большим запасом кинетической энергии это тело обладает. Сравните результаты действия
пули, попадающей в мишень, и
артиллерийского снаряда, движущегося с той же
скоростью и попадающего в ту же мишень.
Как кинетическая,
так и потенциальная энергия являются величинами
относительными. Их значения зависят от положения тела отсчета, относительно которого
определяется энергия.
Например, потенциальная энергия тела, покоящегося на столе, равна нулю, если
рассматривать его положение относительно стола. Если же отсчет энергии вести от пола,
то тело будет находиться
на
определенной высоте,
и
следовательно, обладать
некоторой потенциальной энергией.
Кинетическая энергия тела, покоящегося на столе вагона движущегося поезда,
равна нулю, относительно стола или вагона. Относительно же платформы тело движется,
значит, обладает кинетической энергией.
Все разнообразные виды энергии вокруг нас могут быть преобразованы
в любые другие виды энергии. Такое превращение можно часто наблюдать в
природе,
технике,
быту.
потенциальная
энергия
вида
в
энергии
упругих
тел,
Например,
при
превращается
другой
например,
в
происходит
при
ударе
падении
воды
кинетическую.
также
при
резинового
плотины
Превращение
ударе
мяча
с
о
двух
пол.
ее
одного
каких-нибудь
Потенциальная
энергия любых тел, которые могут упасть, во время падения превращается в
кинетическую
энергию.
Явления
природы
превращением одного вида энергии в другой.
преобразовывать
один
вид
энергии
в
другой,
обычно
сопровождаются
А людям просто необходимо
чтобы
выполнять
различные
работы.
Использование энергии человеком.
Человек всегда стремился использовать энергию движущейся воды и ветра. Вода
обладает огромной потенциальной энергией. Кинетическая энергия воды используется
людьми уже несколько тысяч лет. Самый простейший и древний двигатель - водяное
колесо. Люди научились его строить более 2 тысяч лет назад. Колеса перекачивали и
поднимали воду или приводили в действие различные механизмы. Также люди научились
использовать силу ветра для вращения ветряных мельниц, размалывающих зерно в муку.
Энергию воды используют на протяжении многих веков. В наши дни построены
огромные плотины и водохранилища, и вода применяется для выработки электроэнергии.
Течение реки вращает колеса турбин, связанных с генератором, превращая энергию воды
в электроэнергию. Плотина гидроэлектростанции препятствует свободному стоку воды,
заставляет ее подниматься, увеличивая потенциальную энергию воды. Для сооружения
воды выбирается такое место, где ее высота может быть наибольшей. От высоты плотины
зависит энергия, запасенная водой. У основания плотины, где давление воды наибольшее
устанавливаются турбины. Поток воды движется с большой скоростью и обладает
большой кинетической энергией. В генераторе кинетическая энергия потока воды
преобразуется в энергию электрического поля.
Самый большой и неисчерпаемый источник энергии на Земле - это океаны.
Огромные массы воды перемещаются под влиянием ветра и притяжения Луны. В океане
существует два типа движения — постоянный бег волн и периодические приливы и
отливы. Океанские течения и ветры обладают огромной энергией. Для выработки энергии
из непрестанного движения волн служат турбинные генераторы. Бетонная камера,
построенная на берегу, открыта со стороны моря или океана, и уровень воды внутри нее
колеблется вверх и вниз с каждой набегающей волной. Воздух, находящийся над
поверхностью воды, то сжимается, то расширяется, приводя в движение турбину, которая
соединена с генератором. Энергия движения волн впервые была использована около 20
лет назад в Японии.
Энергия ветра используется человеком уже не первое тысячелетие. Ветер надувал
паруса и вращал мельницы. Для использования энергии ветра создавались самые
разнообразные устройства, предназначенные для выработки электроэнергии и для других
целей. Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и
шумные. Чтобы с их помощью производить много электроэнергии, необходимы огромные
пространства земли.
Ветровые установки состоят из турбин с лопастями, ориентирующимися по ветру,
и генератора, соединенного с осью турбины. Движущиеся массы воздуха оказывают
давление на наклонные лопасти, и приводят их в движение. Вращение винта через
вал передается
на
увеличитель оборотов, а от него на электрогенератор. Эта система на высокой
мачте поднимается над поверхностью Земли.
В любой стране много районов, где дуют устойчивые ветры и можно получать
значительную часть энергии, преобразуя механическую энергию ветра. Так на практике
человек использует превращение различных видов энергии.
Закон сохранения энергии
Механическая
энергия
расположением тел,
Изменение
составляющих
положения в
изолированную систему,
кинетическую,
и
изолированной
системы
эту систему,
пространстве
и
и скоростями
скоростей движения
сопровождается переходом
наоборот,
кинетической
определяется
энергии
взаимным
их движения.
тел,
потенциальной
входящих в
энергии
в потенциальную,
в
а также
взаимным превращением механической и других видов энергии.
Если в каком – либо процессе не происходит взаимопревращения механической энергии
с
другими
видами энергии,
то в этом процессе убыль потенциальной энергии
сопровождается приростом такого же в точности количества кинетической энергии и
обратно.
Общая энергия должна остается
неизменной. Сумма потенциальной и кинетической
энергии остается постоянной, т.е. постоянной остается полная механическая энергия тела
Е
Е= Еп+Ек=const
Один из важнейших законов механики - закон сохранения энергии гласит:
Полная механическая энергия изолированной механической системы не меняется
со
временем,
если
движение
такой
системы
не
сопровождается
взаимопревращением механической и других видов энергии.
А если движение тел, связано с преодолением сил трения, то оно сопровождается
двумя явлениями:
а) сумма кинетической и потенциальной энергий всех участвующих в движении тел
уменьшается; вследствие этого суммарная механическая энергия тел уменьшается;
б) работа против сил трения не исчезает бесследно; прежде всего, движение тел при
наличии трения ведет к их нагреванию.
Значит, помимо потенциальной энергии тяготения и упругости и кинетической
энергии, тело обладает и
энергией, зависящей от его состояния (внутренней энергией
тела). Таким образом
энергия не возникает и не уничтожается, а только переходит из одной формы в
другую.
Практическая часть.
Для того чтобы продемонстрировать законы сохранения энергии и провести простые
эксперименты мною были изготовлены три модели. Для изготовления моделей были
использованы следующие материалы и заготовки: доска ламината, кабель- канал 10x16, шарики
диаметром 14мм разной массы (металлический, стеклянный, пластмассовый), леска, елочные
шары, песок для утяжеления массы шаров, стержень из детского конструктора,
деревянная
рамка.
Модели для демонстрации закона сохранения.
Движение по наклонной плоскости.
На данной модели я убедился, что при движении предмета по наклонной плоскости, его
потенциальная
энергия
переходит
в
кинетическую
энергию.
Модель состоит из основания (480х190 мм) и стойки (высотой 450 мм), на которой закреплена
пластиковая полоса, служащая желобом.
Цель: - показать, как масса тела
влияет на энергию движущегося предмета;
наклона
плоскости, с которой
скатывается
- показать, как с изменением высоты
шарик, увеличивается запас энергии.
Для проведения экспериментов берем три шарика одинакового диаметра, но разной массы, и
поочередно скатываем их по наклонной плоскости с одинаковой высоты, на пути их движения
устанавливаем груз, которые служит препятствием. Когда шарик ударяется в стенку груза, то он
отодвигается. Замеряем расстояние, на которое сдвинулся груз. Затем, изменяем высоту наклона
плоскости и повторяем опыт несколько раз.
mgh
h
mv2/2+mgh1
h1
S
Результаты экспериментов заносим в таблицу:
Масса шара, m, кг
Пройденный путь , S, см
Высота h1 =0.45 м
m1
0,001
h2=0.30 м
h3=0,20 м
0,4
0,3
0,2
m2
0,002
1
0,5
0,4
m3
0,006
3
2
1,5
0,014
12
8
4,4
m4
С помощью экспериментов выяснили, что, чем больше масса шара m, тем больше путь S ,
пройденный грузом после удара.
Е п1 = m1gh1
Е п1 = 0,001∙
9,8 ∙ 0,45 = 0,00441 Дж
Еп2 = 0,002 ∙ 9,8 ∙ 0, 45 =
0,00882 Дж
Еп3 = 0,006 ∙ 9,8 ∙ 0,45 = 0,02646 Дж
Еп4 = 0,014 ∙ 9,8 ∙ 0,45 = 0, 06174 Дж
Вывод: Чем больше масса шара, тем больше запас потенциальной энергии.
По результатам, приведенным в таблице, видно, что, чем , больше высота h, с которой катится шар,
тем больше путь S, пройденный грузом после удара. Теоретически для шарика массой m4
Еп41 = m4 g h1
Еп41 = 0,014 ∙ 9,8 ∙
0,45 = 0, 06174 Дж
Еп42 = 0,014 ∙ 9,8 ∙ 0,30 = 0, 04116 Дж
Еп43 = 0,014 ∙ 9,8 ∙ 0,20 = 0, 02744 Дж
Вывод: Чем больше высота, с которой катится шар, тем больше запас потенциальной энергии.
Когда шар скатывается по наклонной плоскости, его потенциальная энергия переходит в
кинетическую энергию – энергию движения. С увеличением массы шара и высоты, с которой он
катится, увеличивается и его энергия, а значит и сила, с которой шарик ударяется в стенку груза.
Следовательно, после удара груз отодвигается дальше.
Центробежная дорога.
Действие модели основано на превращении потенциальной энергии шара в
кинетическую энергию и наоборот.
Модель представляет собой основание (460125 мм), на котором на стойке закреплена
свёрнутая из пластиковой полосы (1600 20 мм) петля. Диаметр петли 210 мм, высота
жёлоба 580 мм.
Если по желобу пустить металлический шар диаметром 14мм, то он, наберет скорость,
прокатившись по наклонной плоскости,
и
опишет петлю. Если по желобу пустить
пластмассовый шар диаметром 14мм, он также прокатится по наклонной плоскости и
опишет петлю.
Цель: - определить, наименьшую высоту, с которой шар должен начать скатываться, что
бы не выпадая из желоба, он смог описать петлю;
- выяснить, зависит ли скорость от массы шарика.
h
h
R
В
Выясним, зависит ли скорость движения шара от его массы в точке В
Согласно закону сохранения механической энергии
mgh=mv2/2
где h – высота, с которой шар начинает двигаться;
m – масса шара;
g – ускорение свободного падения 9,8 м/с ;
v – скорость шара
mv2 /2 = mgh
v2 = 2gh
v=√2gh
Теоретически доказано, что скорость не зависит от массы шара. а зависит от высоты .
А что покажет эксперимент?
Для шаров одного диаметра, но разной массы, экспериментально была установлена
минимальная высота, при которой шар проходил по петле.
По результатам составлена таблица:
Масса m, кг
Высота h min, м
Еп, Дж
VВ, м/с
0,001
0,42
0,0041
2,869
0,014
0,39
0,0535
2,765
Е п1 = m1gh1
Е п1 = 0,001∙ 9,8 ∙ 0,42 = 0,0041 Дж
Еп2 = 0,014 ∙ 9,8 ∙ 0,39 = 0, 0535 Дж
V1B = √ 2En/m1
V1 = 2.869 м/с
V 2= 2,765 м/с
Вывод: Опытная проверка показала, скорости шаров и минимальная высота скатывания
немного различаются. Я считаю, что это результат действия сил трения, так как шарики
изготовлены из различных материалов: сталь и пластмасса.
Маятники по перекачке энергии.
Модель состоит из деревянной рамы, закрепленной на основании, в верхней
части рамы на тонкой леске подвешен стержень, к которому на леске подвешены
два
одинаковых
шара.
Типичным примером колебательной системы, в которой происходит периодическая
"перекачка" энергии, могут служить два одинаковых маятника, прикрепленных к
горизонтальному стержню, который в свою очередь подвешен на двух шнурах. Маятники
оказываются "связанными" друг с другом благодаря стержню. Если один маятник качнуть
в плоскости, перпендикулярной стержню, то энергия начнет передаваться другому
маятнику. После завершения этого процесса энергия начнет перекачиваться в обратном
направлении. Таким образом, происходит периодический обмен энергией между
маятниками, каждый из которых в результате колеблется то сильнее, то слабее.
Маятники периодически обмениваются энергией таким образом, что останавливается то
один, то другой маятник. Как объяснить это явление?
Отклоним правый маятник на
определенный угол от вертикали, левый при этом удерживаем рукой в вертикальном
положении, а затем оба отпустим. Правый маятник начинает колебаться, Перекладина
мешает двигаться правому маятнику и таким образом обеспечивает передачу энергии от
правого маятника к левому. Как только правый маятник потеряет всю энергию и
остановится, левый
маятник колеблется с максимальной амплитудой и обладает
максимально возможной энергией, начинается обратный процесс. Энергия колебаний
постепенно расходуется на работу против сил трения, поэтому амплитуда колебаний
постепенно уменьшается, и колебания всегда затухают.
Fсопр. = -rv
r- коэф. Сопротивления;
v – скорость движения
При отведении маятника на небольшой угол, мы сообщаем ему потенциальную энергию,
под действием сил тяжести маятник будет двигаться к положению равновесия. В
положении равновесия вся потенциальная энергия превратится в кинетическую.
В процессе проведения опытов с маятниками разной массы, но при условии, что массы
обоих маятников равны, была составлена следующая таблица:
№
Масса маят.,г
Т
на Кол.
«перекачку»,
«перекачек»
.
Т затух. мин
1.
45
26
5
16
2.
40
23
4
14,5
3.
25
22
2
8,5
4.
5
12
1
3
Вывод: Чем больше масса груза маятника, тем больше времени требуется для перехода
энергии от одного маятника к другому и обратно, и количество этих переходов больше,
больше и время свободных колебаний до их затухания.
Были проведены опыты, когда масса правого и левого маятника разная.
№ Масса.m1,г Масса.m2 Т на «перекачку», сек. Кол. «перекачек» Прим
1
13
20
15
2
2
13
25
15
3
3
13
40
16
10
(из них полных 5)
4
13
45
20
15
(из них полных 6 )
Вывод: Если начать колебания с шара большей массы, то полной перекачки энергии не
наблюдаем, шар большей массы не останавливается (не происходит потери всей энергии),
останавливается только шар меньшей массы. Перекачка энергии односторонняя. Поэтому
таблица составлена для условий начала колебаний шара меньшей массы.
В результате опытов было выявлено, чем больше масса второго маятника, тем количество
перекачек больше, но из них полных только половина, затем идет перекачка только от
тяжелого шара к легкому, т.е. останавливается только легкий шар. Запас энергии
тяжелого шара не расходуется полностью, поэтому он не останавливается.
Заключение
По результатам проделанной работы можно сделать следующие выводы:
для каждой конкретной замкнутой системы вне зависимости от ее природы можно
определить некую величину, называемую энергией, которая будет сохраняться во
времени;
если тело обладает запасом энергии, то оно способно совершать работу и наоборот.
Закон сохранения энергии является самым универсальным и самым фундаментальным.
Сущность закона сохранения:
«Что от одного тела убудет, то присовокупиться к другому»
Изготовленные механизмы демонстрируют закон сохранения энергии в
механике.
В моих планах на будущее экспериментально исследовать закон сохранения энергии в
тепловых процессах.
Список литературы
1. Н. С. Пурышева, Физика 7, М.: Дрофа, 2001 г.
2. Я. И. Перельман, Занимательная механика, М.: Астрель, 2007
3. Энциклопедия для детей, М.: Аванта +, Физика, часть I, 2000 г.
4. Журнал «Мастерок», М.: Молодая гвардия, №29, 1983 г.
5. Энциклопедия Удивительный мир техники, М.: Астрель, 2001 г.
6. Дженис Ван Клив, «201 потрясающий магический эксперимент», М.,
Астрель, 2009
7. Джирл Уолкер, В мире науки 1985, №12