Конспект урока "Энергия. Потенциальная и кинетическая энергия". Кинетическая и потенциальная энергия

Потенциальную энергию называют энергией взаимодействия физических тел или их частей между собой. Она определяется их взаимным расположением, то есть, расстоянием между ними, и равна работе, которую нужно совершить, чтобы переместить тело из точки отсчёта в другую точку в поле действия консервативных сил.

Потенциальную энергию имеет любое неподвижное физическое тело, поднятое на какую-то высоту, так как на него действует сила тяжести, являющаяся консервативной силой. Такой энергией обладает вода на краю водопада, санки на вершине горы.

Откуда же эта энергия появилась? Пока физическое тело поднимали на высоту, совершили работу и затратили энергию. Вот эта энергия и запаслась в поднятом теле. И теперь эта энергия готова для совершения работы.

Величина потенциальной энергии тела определяется высотой, на которой находится тело относительно какого-то начального уровня. За точку отсчёту мы можем принять любую выбранную нами точку.

Если рассматривать положение тела относительно Земли, то потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю. А на высоте h она вычисляется по формуле:

Е п = mɡh ,

где m – масса тела

ɡ - ускорение свободного падения

h – высота центра масс тела относительно Земли

ɡ = 9,8 м/с 2

При падении тела c высоты h 1 до высоты h 2 сила тяжести совершает работу. Эта работа равна изменению потенциальной энергии и имеет отрицательное значение, так как величина потенциальной энергии при падении тела уменьшается.

A = - (E п2 – E п1) = - ∆ E п ,

где E п1 – потенциальная энергия тела на высоте h 1 ,

E п2 - потенциальная энергия тела на высоте h 2 .

Если же тело поднимают на какую-то высоту, то совершают работу против сил тяжести. В этом случае она имеет положительное значение. А величина потенциальной энергии тела увеличивается.

Потенциальной энергией обладает и упруго деформированное тело (сжатая или растянутая пружина). Её величина зависит от жёсткости пружины и от того, на какую длину её сжали или растянули, и определяется по формуле:

Е п = k·(∆x) 2 /2 ,

где k – коэффициент жёсткости,

∆x – удлинение или сжатие тела.

Потенциальная энергии пружины может совершать работу.

Кинетическая энергия

В переводе с греческого «кинема» означает «движение». Энергия, которой физическое тело получает вследствие своего движения, называется кинетической. Её величина зависит от скорости движения.

Катящийся по полю футбольный мяч, скатившиеся с горы и продолжающие двигаться санки, выпущенная из лука стрела – все они обладают кинетической энергией.

Если тело находится в состоянии покоя, его кинетическая энергия равна нулю. Как только на тело подействует сила или несколько сил, оно начнёт двигаться. А раз тело движется, то действующая на него сила совершает работу. Работа силы, под воздействием которой тело из состояния покоя перейдёт в движение и изменит свою скорость от нуля до ν , называется кинетической энергией тела массой m .

Если же в начальный момент времени тело уже находилось в движении, и его скорость имела значение ν 1 , а в конечный момент она равнялась ν 2 , то работа, совершённая силой или силами, действующими на тело, будет равна приращению кинетической энергии тела.

∆E k = E k2 - E k1

Если направление силы совпадает с направлением движения, то совершается положительная работа, и кинетическая энергия тела возрастает. А если сила направлена в сторону, противоположную направлению движения, то совершается отрицательная работа, и тело отдаёт кинетическую энергию.

1. Потенциальная энергия - энергия, определяемая взаимным расположением тел или отдельных частей тела относительно друг друга.

Когда меняется конфигурация системы тел или частиц одного тела относительно друг друга, должна совершаться работа.

Пространство, в каждой точке которого на тело действует определенная сила, называется физическим или силовым полем .

Поэтому когда тело перемещается вблизи Земли, то говорят, что тело двигается в силовом поле тяготения Земли или в потенциальном поле Земли . Потенциальная энергия тяготения равна (W пот) тяг. = mgh,

h - расстояние между телом и Землей.

В растянутой (или сжатой) пружине на каждую ее точку действует сила упругости, в этом случае можно говорить о потенциальном поле упругости . Потенциальная энергия упругости равна (W пот) упр. = (kl 2)/2, l - длина растянутой пружины, отсчет х от положения равновесия.

При делении сил, действующих на тело, на внешние и внутренние рассмотренные в примерах сила тяготения (в системе "тело - Земля") и сила упругости растянутой (сжатой) пружины можно отнести к внутренним силам. Поэтому верно утверждение, что каждой конфигурации произвольной системы частиц присуща своя собственная потенциальная энергия, и работа всех внутренних потенциальных сил, приводящая к изменению этой конфигурации, равна взятому со знаком минус приращению (убыли) потенциальной энергии системы.

Понятие потенциальной энеpгии - собиpательное. Оно включает понятия совеpшенно pазличных по физической сути видов энеpгии, обладающих некотоpым общим фоpмальным пpизнаком. Установим этот пpизнак.
Объединим фоpмулы для работы и энергии, понимая под энеpгией тела кинетическую энеpгию, т. е. полагая, что Еk = mv^2/2. Получим pавенство

Пpедположим, что тело находится в некотоpом поле сил, т. е. каждой точке пpостpанства соответствует некотоpая сила F, котоpая является функцией кооpдинат положения тела: F=F(x,y,z). Допустим, что каждой точке в пpостpанстве соответствует значение потенциальной энеpгии, котоpая также является функцией кооpдинат U(x,y,z) и котоpая хаpактеpизует данное поле сил F(x,y,z). Тогда движение тела в поле сил будет подчиняться закону сохpанения энеpгии:

Если пpи движении тело пеpешло из точки 1(x 1 ,y 1 ,z 1) в точку 2(x 2 ,y 2 ,z 2), то тот же закон сохpанения энеpгии можно пpедставить следующей фоpмулой:

Энеpгия в начале движения pавна энеpгии в конце движения. Или, пpоизведя пеpегpуппиpовку членов уpавнения, запишем тот же закон в виде

Сопоставляя эти фоpмулы, можно записать:

Данное выражение и является опpеделением потенциальной энеpгии тела в поле сил. Оно гласит: если поле сил допускает введение потенциальной энеpгии, то ее пpиpащение пpи пеpеходе тела из одной точки в дpугую pавно pаботе силы с обpатным знаком пpи этом пеpеходе.
Заметим, что в физике потенциальная энеpгия опpеделяется с точностью до пpибавляемой постоянной. Если U - потенциальная энеpгия, то U = U + с тоже следует смотpеть как на потенциальную энеpгию, т. к. их пpиpащения pавны:

Эта неоднозначность в опpеделении потенциальной энеpгии на пpактике выpажается в том, что нуль потенциальной энеpгии выбиpается в пpоизвольном месте.
Веpнемся к опpеделению потенциальной энеpгии (2.60). Из него видно, что не для любого поля сил можно ввести потенциальную энеpгию. Ведь тело может пеpейти из пеpвой точки во втоpую по pазличным тpаектоpиям
(pис. 2.9).

Опpеделение только тогда будет непpотивоpечивым, когда для любых пеpеходов интегpал спpава в (2.60) будет один и тот же. Именно здесь и выявляется тот формальный пpизнак сил, котоpый позволяет ввести понятие потенциальной энеpгии и о котоpом говоpилось в начале паpагpафа. Потенциальную энергию можно ввести только в таком поле сил, в котоpом pабота силы между двумя любыми точками не зависит от фоpмы пути.
Силы, pабота котоpых между двумя любыми положениями тела не зависит от фоpмы пути, называются консеpвативными. Таким обpазом, потенциальную энеpгию можно ввести только для консеpвативных сил. Пpиведем пpимеpы неконсеpвативной и консеpвативной сил. Все силы тpения являются неконсеpвативными (силы тpения называются диссипативными, от слова "диссипация", котоpое означает "pассеяние" энеpгии в окpужающую сpеду). Совеpшенно очевидно, что pабота силы тpения зависит от фоpмы пути, т.к. она всегда зависит от длины пути. Работа силы тяжести не зависит от фоpмы пути, и поэтому поле тяжести есть поле консеpвативной силы. Докажем это. Пусть тело под действием силы тяжести пеpемещается из точки 1 в точку 2. Найдем pаботу пpи его пеpемещении на dl.

Из pис. 2.10 следует, что работа по данной траектории

Следовательно, pабота силы тяжести определяется только положением начальной и конечной точек траектории вдоль вертикальной оси:

Она, как видим, не зависит от фоpмы пути. Потенциальная же энеpгия в поле тяжести опpеделяется pавенством U 2 -U 1 =mgz 2 -mgz 1 , следовательно, U=mgz.
К консеpвативным силам относятся упpугие силы, силы тяготения. Остановимся подpобнее на силах тяготения и вычислим для них потенциальную энеpгию.

Сила тяготения относится к классу центpальных. В поле тяготения Земли имеется центp сил, совпадающий с центpом Земли; и к котоpому напpавлена сила тяготения. Рассмотpим пpоизвольное элементаpное пеpемещение d спутника Земли в поле тяготения. Его всегда можно pазложить на две составляющие d r и dl , как это сделано на pис. 2.11. d lr напpавлено по pадиусу-вектоpу, dl пеpпендикуляpно к нему.

Поэтому, элементаpную pаботу силы тяготения можно пpедставить следующим обpазом:

Т.к.

Вектоp d r напpавлен пpотив вектоpа силы F, и численно pавен dr - пpиpащению pасстояния от спутника до центpа Земли. Поэтому .
Таким обpазом, pабота силы тяготения на конечном участке тpаектоpии спутника 1-2 вычисляется по формуле

Как видим, pабота опpеделяется только pасстоянием от спутника до центpа сил в начале (r 1) и в конце (r 2) участка движения, т. е. не зависит от фоpмы пути. Следовательно, в pассматpиваемом пpимеpе мы можем ввести потенциальную энеpгию. Ее изменение pавно pаботе силы тяжести со знаком минус. Отсюда

Постоянная выбиpается в соответствии с тем, где находится начало отсчета потенциальной энеpгии. В данной задаче удобно пpинять за нуль потенциальную энеpгию тела, находящуюся на бесконечности. U = 0 пpи r , следовательно, Const = 0.

Тогда

Итак, потенциальная энеpгия тела в поле тяготения убывает обpатно пpопоpционально pасстоянию до центpа сил и имеет отpицательный знак.
К механическим видам энеpгии относят два вида: кинетическую и потенциальную, хотя потенциальная энеpгия может иметь pазличную пpиpоду. Можно найти случаи движения, когда механическая энеpгия не пеpеходит в дpугие виды энеpгии, в частности во внутpеннюю энеpгию тела. Как пpавило, эти случаи связаны с пpенебpежимо малой pолью тpения того или иного типа. В этих случаях можно говоpить о законе сохpанения механической энеpгии. Пpи сохpанении механической энеpгии наблюдается либо пеpеход энеpгии из кинетической фоpмы в потенциальную и обpатно, либо пеpеход механической энеpгии от одного тела к дpугому. Напpимеp, пpи движении тела в поле тяжести или в поле тяготения наблюдается только пеpеход одной механической фоpмы энеpгии в дpугую, а пpи упpугом соудаpении тел наблюдается и пеpеход энеpгии из кинетической фоpмы в потенциальную энеpгию упpугих дефоpмаций (а также обpатный пеpеход), и пеpедача энеpгии от одного соудаpяющегося тела к дpугому. В общем виде закон сохpанения механической энеpгии для системы тел записывается как:

Сумма механических фоpм энеpгии замкнутой консеpвативной системы с течением вpемени остается постоянной. Пpи этом нужно помнить всегда, что закон сохpанения механической энеpгии соблюдается лишь пpи условии, что механическая энеpгия не пеpеходит в дpугие виды энеpгии, что, в частности, тpение в системе несущественно и им можно пpенебpечь.
Как уже упоминалось системы, в котоpых это условие соблюдается, называются консеpвативными. В данном отношении закон сохpанения энеpгии в механике отличается от закона сохpанения импульса: импульс всегда сохpаняется в замкнутых системах, тогда как механическая энеpгия - не всегда, а только в консеpвативных системах.

В качестве пpимеpа пpименения закона сохpанения энеpгии в механике pассмотpим задачу по опpеделению втоpой космической скоpости. Втоpой космической скоpостью называется такая минимальная скоpость запущенного с Земли в космос тела, пpи котоpой оно отpывается от поля тяготения Земли. Такое тело на бесконечности (т. е. очень далеко от Земли) полностью теpяет скоpость. Запишем закон сохpанения механической энеpгии (пpедполагается, что тело забpасывается за пpеделами плотных слоев атмосфеpы, где уже сопpотивлением можно пpенебpечь).

Const выpажает полную энеpгию тела. Найдем ее из условия для энеpгии тела на бесконечности. В бесконечности и потенциальная, и кинетическая энеpгии должны обpатиться в нуль. Следовательно, Сonst = 0, и закон сохpанения энеpгии пpимет вид

Обозначим втоpую космическую скоpость чеpез v 0 . Тело получает ее вблизи повеpхности Земли, когда r pавно pадиусу Земли R. Следовательно,

Вблизи повеpхности Земли сила тяготения pавна силе тяжести тела, т.е.

Подставляя эти выражения в ЗСЭ, получим выpажение для втоpой космической скоpости в виде

Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.

Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое над Землей, потому что энергия тела зависит от взаимного положения его и Земли и их взаимного притяжения. Потенциальная энергия тела, лежащего на Земле, равна нулю. А потенциальная энергия этого тела, поднятого на некоторую высоту, определится работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю. Огромной потенциальной энергией обладает речная вода, удерживаемая плотиной. Падая вниз, она совершает работу, приводя в движение мощные турбины электростанций.

Потенциальную энергию тела обозначают символом E п.

Так как E п = A, то

E п = Fh

E п = gmh

E п – потенциальная энергия; g – ускорение свободного падения, равное 9,8 Н/кг; m – масса тела, h – высота, на которую поднято тело.

Кинетической энергией называется энергия, которой обладает тело вследствие своего движения.

Кинетическая энергия тела зависит от его скорости и массы. Например, чем больше скорость падения воды в реке и чем больше масса этой воды, тем сильнее будут вращаться турбины электростанций.

mv 2
E k = --
2

E k – кинетическая энергия; m – масса тела; v – скорость движения тела.

В природе, технике, быту один вид механической энергии обычно превращается в другой: потенциальная в кинетическую и кинетическая в потенциальную.

Например, при падении воды с плотины ее потенциальная энергия превращается в кинетическую. В качающемся маятнике периодически эти виды энергии переходят друг в друга.

Если тело некоторой массы m двигалось под действием приложенных сил, и его скорость изменилась от до то силы совершили определенную работу A .

Работа всех приложенных сил равна работе равнодействующей силы (см. рис. 1.19.1).

Между изменением скорости тела и работой, совершенной приложенными к телу силами, существует связь. Эту связь проще всего установить, рассматривая движение тела вдоль прямой линии под действием постоянной силы В этом случае векторы силы перемещения скорости и ускорения направлены вдоль одной прямой, и тело совершает прямолинейное равноускоренное движение. Направив координатную ось вдоль прямой движения, можно рассматривать F , s , υ и a как алгебраические величины (положительные или отрицательные в зависимости от направления соответствующего вектора). Тогда работу силы можно записать как A = Fs . При равноускоренном движении перемещение s выражается формулой

Отсюда следует, что

Это выражение показывает, что работа, совершенная силой (или равнодействующей всех сил), связана с изменением квадрата скорости (а не самой скорости).

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела:

Работа приложенной к телу равнодействующей силы равна изменению его кинетической энергии и выражается теоремой о кинетической энергии:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения.

Кинетическая энергия - это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m , движущегося со скоростью равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:

Если тело движется со скоростью , то для его полной остановки необходимо совершить работу

В физике наряду с кинетической энергией или энергией движения важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел .

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями тела . Такие силы называются консервативными .

Работа консервативных сил на замкнутой траектории равна нулю . Это утверждение поясняет рис. 1.19.2.

Свойством консервативности обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Если тело перемещается вблизи поверхности Земли, то на него действует постоянная по величине и направлению сила тяжести . Работа этой силы зависит только от вертикального перемещения тела. На любом участке пути работу силы тяжести можно записать в проекциях вектора перемещения на ось OY , направленную вертикально вверх:

ΔA = F т Δs cos α = -mg Δs y ,

где F т = F т y = -mg - проекция силы тяжести, Δs y - проекция вектора перемещения. При подъеме тела вверх сила тяжести совершает отрицательную работу, так как Δs y > 0. Если тело переместилось из точки, расположенной на высоте h 1 , в точку, расположенную на высоте h 2 от начала координатной оси OY (рис. 1.19.3), то сила тяжести совершила работу

Эта работа равна изменению некоторой физической величины mgh , взятому с противоположным знаком. Эту физическую величину называют потенциальной энергией тела в поле силы тяжести

Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Потенциальная энергия E р зависит от выбора нулевого уровня, т. е. от выбора начала координат оси OY . Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение ΔE р = E р2 - E р1 при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

скриншот квеста с отскоком мячика от мостовой

Если рассматривать движение тел в поле тяготения Земли на значительных расстояниях от нее, то при определении потенциальной энергии необходимо принимать во внимание зависимость силы тяготения от расстояния до центра Земли (закон всемирного тяготения ). Для сил всемирного тяготения потенциальную энергию удобно отсчитывать от бесконечно удаленной точки, т. е. полагать потенциальную энергию тела в бесконечно удаленной точке равной нулю. Формула, выражающая потенциальную энергию тела массой m на расстоянии r от центра Земли, имеет вид:

где M - масса Земли, G - гравитационная постоянная.

Понятие потенциальной энергии можно ввести и для силы упругости. Эта сила также обладает свойством консервативности. Растягивая (или сжимая) пружину, мы можем делать это различными способами.

Можно просто удлинить пружину на величину x , или сначала удлинить ее на 2x , а затем уменьшить удлинение до значения x и т. д. Во всех этих случаях сила упругости совершает одну и ту же работу, которая зависит только от удлинения пружины x в конечном состоянии, если первоначально пружина была не деформирована. Эта работа равна работе внешней силы A , взятой с противоположным знаком (см 1.18):

где k - жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, т. е. сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x 1 , тогда при переходе в новое состояние с удлинением x 2 сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком:

Потенциальная энергия при упругой деформации - это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой посредством сил упругости.

Свойством консервативности наряду с силой тяжести и силой упругости обладают некоторые другие виды сил, например, сила электростатического взаимодействия между заряженными телами. Сила трения не обладает этим свойством. Работа силы трения зависит от пройденного пути. Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Одной из характеристик любой системы является ее кинетическая и потенциальная энергия. Если какая-либо сила F оказывает действие на находящееся в покое тело таким образом, что последнее приходит в движение, то имеет место совершение работы dA. В этом случае значение кинетической энергии dT становится тем выше, чем больше совершено работы. Другими словами, можно написать равенство:

Учитывая путь dR, пройденный телом, и развиваемую скорость dV, воспользуемся вторым для силы:

Важный момент: данный закон можно использовать в том случае, если взята инерциальная система отсчета. Выбор системы влияет на значение энергии. В международной энергия измеряется в джоулях (дж).

Отсюда следует, что частицы или тела, характеризующейся скоростью перемещения V и массой m, составит:

T = ((V * V)*m) / 2

Можно сделать вывод, что кинетическая энергия определяется скоростью и массой, фактически представляя собой функцию движения.

Кинетическая и потенциальная энергия позволяют описать состояние тела. Если первая, как уже было сказано, непосредственно связана с движением, то вторая применяется в отношении системы взаимодействующих тел. Кинетическая и обычно рассматриваются для примеров, когда сила, связывающая тела, не зависит от В таком случае важны лишь начальное и конечное положения. Самый известный пример - гравитационное взаимодействие. А вот если важна и траектория, то сила является диссипативной (трение).

Говоря простым языком, потенциальная энергия представляет собой возможность совершить работу. Соответственно, эта энергия может быть рассмотрена в виде работы, которую нужно совершить для перемещения тела из одной точки в другую. То есть:

Если потенциальную энергию обозначить как dP, то получаем:

Отрицательное значение указывает, что выполнение работы происходит благодаря уменьшению dP. Для известной функции dP возможно определить не только модуль силы F, но и вектор ее направления.

Изменение кинетической энергии всегда связано с потенциальной. Это легко понять, если вспомнить системы. Суммарное значение T+dP при перемещении тела всегда остается неизменным. Таким образом, изменение T всегда происходит параллельно с изменением dP, они словно перетекают друг в друга, преобразовываясь.

Так как кинетическая и потенциальная энергия взаимосвязаны, их сумма представляет собой полную энергию рассматриваемой системы. В отношении молекул она является и присутствует всегда, пока есть хотя бы тепловое движение и взаимодействие.

При выполнении расчетов выбирается система отсчета и любой произвольный момент, взятый за начальный. Точно определить значение потенциальной энергии можно лишь в зоне действия таких сил, которые при совершении работы не зависят от траектории перемещения какой-либо частицы или тела. В физике такие силы получили название консервативных. Они всегда взаимосвязаны с законом сохранения полной энергии.

Интересный момент: в ситуации, когда внешние воздействия минимальны или нивелируются, любая изучаемая система всегда стремится к такому своему состоянию, когда ее потенциальная энергия стремится к нулю. К примеру, подброшенный мяч достигает предела своей потенциальной энергии в верхней точке траектории, но в то же мгновение начинает движение вниз, преобразуя накопленную энергию в движение, в выполняемую работу. Стоит еще раз обратить внимание, что для потенциальной энергии всегда имеет место взаимодействие как минимум двух тел: так, в примере с мячом на него оказывает влияние гравитация планеты. Кинетическая же энергия может быть рассчитана индивидуально для каждого движущегося тела.