Механічна енергія та її види.

Мета.

Ввести поняття енергії, потенціальної та кінетичної енергій, закон збереження і перетворення повної механічної енергії. Розвивати логічне мислення. Виховувати цілеспрямованість у досягненні поставленої мети.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 7 клас, Бар'яхтар В. Г. Довгий С. О., видавництво "Ранок" 

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Механічна енергія та її види.
3. Запитання до уроку.
4. Домашнє завдання.
5. Перевір себе.
6. Для допитливих.

  Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

Самостійна робота. Механічна робота. Потужність.

2.  Механічна енергія та її види.

 Міркуємо разом. Слово «енергія» можна почути в телевізійних репортажах, побачити на шпальтах газет тощо. Ним можна скористатися для характеристики людей (енергійна людина), природних явищ (енергія землетрусу чи урагану), машин і механізмів (електроенергія, яку вони споживають).

А що ж таке енергія з точки зору фізики?

 Енергія у фізиці. Енергія (у перекладі з грецької це слово означає «діяльність») — це одна з найважливіших і водночас одна з найскладніших фізичних величин.

Енергія (Е) - фізична величина, що характеризує здатність тіл виконувати роботу.

Продемонструємо здатність тіла виконувати механічну роботу. Розташуємо маленьку кульку на краю стола, а на підлозі поставимо посудину з водою. Якщо зіштовхнути кульку зі стола, то вона полетить униз, упаде у воду й розхлюпає частину рідини. Поява бризок означає, що кулька виконала певну роботу. Якщо ж кульки не торкатися, вона залишиться лежати на столі. Отже, енергія кульки може бути реалізована виконанням роботи під час падіння або збережеться до «ліпших часів». Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшою енергією це тіло володіє.

 Кінетична та потенціальна енергії. У механіці розрізняють потенціальну і кінетичну енергії.

Потенціальна енергія (Еп) - це енергія, яка визначається взаємним положенням тіл, або частин того самого тіла, що взаємодіють.

Наприклад, підняте над поверхнею Землі тіло має певну енергію, що зумовлена притяганням цього тіла до Землі. Потенціальна енергія тіла, піднятого на деяку висоту h над поверхнею Землі, дорівнює роботі, яку виконує сила тяжіння за час падіння тіла з цієї висоти.

Потенціальна енергія тіла залежить від висоти, на якій перебуває це тіло, — отже, вибір нульового рівня (рівня, від якого буде вимірюватися висота) суттєво впливає на значення потенціальної енергії.

У пружно деформованому тілі частини тіла взаємодіють силами пружності. Якщо це тіло звільнити, то сили пружності повернуть його до початкового, недеформованого стану, виконавши механічну роботу. Отже, пружно деформоване тіло має потенціальну енергію.

Потенціальна енергія деформованої пружини використовується для виконання роботи в більшості механічних годинників, автоматичних клапанах, для автоматичного закриття  дверей тощо.

Розглянемо рух кулі в боулінгу: вона котиться, розкидає в різні боки кеглі й зменшує швидкість свого руху. При цьому куля виконує механічну роботу, тому механічна енергія кулі зменшується. Однак потенціальна енергія кулі до і після зіткнення з кеглями залишається незмінною, адже весь час куля перебувала на тій самій висоті — змінювалася тільки швидкість її руху. Отже, енергія, яка дозволила кулі виконати роботу, була зумовлена рухом кулі. У фізиці цю енергію називають кінетичною (у перекладі з грецької це слово означає «рухатися»).

Кінетична енергія (Ек) - це енергія, яку має тіло внаслідок власного руху.

Кінетична енергія залежить від маси і швидкості руху тіла.

Кінетична енергія того самого тіла для різних спостерігачів може бути різною, оскільки відносно них різною може бути швидкість руху цього тіла.

 Повна механічна енергія. Доволі часто тіло має як потенціальну, так і кінетичну енергії. Напевне, багато хто з вас «стріляв» із трубочки, видуваючи з неї з певною швидкістю невеликі кульки. Згадайте: кульки злітають догори, а потім падають. Коли кульки летять догори, швидкість їхнього руху зменшується, адже для того, щоб упасти, вони мають на мить зупинитися на певній висоті, а вже потім почати рухатися вниз. Кінетична енергія кульок під час руху вгору теж зменшується. А чи зникає вона зовсім?

Повна механічна енергія - це сума кінетичної і потенціальної енергій тіла.

Одним із фундаментальних законів природи є закон збереження і перетворення повної механічної енергії.

Закон збереження і перетворення повної механічної енергії: 

• Енергія не виникає з нічого і не зникає, а тільки переходить з одного виду в інший.
• Якщо ізольовані від зовнішнього впливу тіла взаємодіють між собою силами тяжіння і пружності, то повна механічна енергія залишається незмінною під час руху.

Закон збереження і перетворення повної  механічної енергії не виконується для сил тертя, оскільки за наявності сил тертя відбувається перетворення частини механічної енергії в теплову.

Для прикладу розглянемо кілька перетворень потенціальної енергії на кінетичну і навпаки.

Вважатимемо, що тертя дуже мале. За нульовий рівень оберемо найнижче положення кульки (положення рівноваги). Відхилимо кульку від положення рівноваги. У цей момент кулька перебуває на найбільшій висоті, отже, має найбільшу потенціальну енергію. Кулька не рухається, тому її кінетична енергія дорівнює нулю. Коли кулька починає рух, швидкість її поступово збільшується, відповідно зростає й кінетична енергія. У момент, коли кулька опускається до точки свого найнижчого положення h = 0 м, її потенціальна енергія зменшується до нуля. У цей момент швидкість руху кульки є найбільшою, відповідно найбільшою є її кінетична енергія. На скільки зменшується потенціальна енергія кульки під час падіння, рівно настільки збільшується її кінетична енергія. І навпаки: на скільки збільшується потенціальна енергія кульки під час піднімання вгору, рівно настільки зменшується її кінетична енергія.

Під час руху кульки вгору її потенціальна енергія збільшується, бо збільшується висота підняття, а кінетична — зменшується, бо чим вище піднімається кулька, тим менша її швидкість. У момент кидання  кулька має максимальне значення кінетичної енергії, а потенціальна енергія рівна нулю. У найвищій точці траєкторії кулька зупиняється, тому кінетична енергія рівна нулю, а потенціальна набуває максимального значення. Повна ж механічна енергія не змінюється під час руху.

Якщо говорять: тіло вільно падає з певної висоти - це означає, що у початковий момент падіння тіло мало швидкість 0 м/с. Отже, у найвищій точці траєкторії воно має кінетичну енергію рівну нулю, а потенціальна енергія матиме максимальне значення. Так як повна механічна енергія є сумою кінетичної і потенціальної енергії, то робимо висновок: якщо кінетична енергія в деякій точці траєкторії рівна нулю, то потенціальна енергія матиме максимальне значення рівне значенню повної механічної енергії. У момент дотику до Землі потенціальна енергія рівна нулю, кінетична відповідно набуде максимального значення, яке буде рівне значенню повної механічної енергії.

Під час дослідження коливань тіла на пружині перше, що потрібно - встановити положення рівноваги тіла. У момент найбільшого стиснення та найбільшого розтягу пружини її потенціальна енергія є найбільшою, а кінетична рівна нулю. У момент, коли тіло проходить положення рівноваги, швидкість тіла найбільша, тому й кінетична енергія досягає максимального значення. Та при вертикальному коливанні тіла на пружині варто говорити і про зміну потенціальної енергії тіла піднятого на певну висоту: ця енергія набуває найбільшого значення у найвищій точці перебування тіла, а найменшого, у найнижчій точці, яку при розв’язуванні задач, зручно  брати за нульовий рівень. При вертикальному коливанні тіла на пружині повна механічна енергія буде розраховуватись як сума кінетичної енергії, потенціальної енергії пружно деформованого тіла та  потенціальної енергії взаємодії з Землею.

4. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 58.1. Визначте кінетичну енергію велосипедиста масою 50 кг, який рухається зі швидкістю 10 м/с.

Задача 58.2. Обчисліть потенціальну енергію портфеля масою 3 кг, який лежить на парті висотою 80 см.

Задача 58.3. Пружину жорсткістю 40 Н/м розтягли на 3 см. Яку потенціальну енергію має пружина в такому стані?

5. Запитання до уроку.

Запитання 58.1. Що таке енергія? Як у фізиці позначають енергію? В яких одиницях вимірюють?

Запитання 58.2. Що таке потенціальна енергія? Які є види механічної енергії?

Запитання 58.3. Як розраховується потенціальна енергія піднятого над землею тіла? Чи залежить значення потенціальної енергії тіла, піднятого над Землею, від вибору початкового рівня відліку висоти?

Запитання 58.4. Як розраховується потенціальна енергія пружно-деформованого тіла?

Запитання 58.5. Що таке кінетична енергія? Як розраховується кінетична енергія тіла? Чому кінетична енергія того самого тіла може бути різною?

Запитання 58.6. Чому рівна повна механічна енергія і чи змінюється вона?

Запитання 58.7.Сформулюйте закон збереження та перетворення повної механічної енергії. Для яких сил не виконується закон збереження механічної енергії?

Запитання 58.8. Наведіть приклад, коли повна механічна енергія не зберігається. Чи порушиться при цьому закон збереження і перетворення механічної енергії?

Запитання 58.9. Як змінюється потенціальна та кінетична енергії під час коливання тіла на пружині?

Запитання 58.10. Футбольний м’яч має кінетичну енергію 100 Дж. Яку механічну роботу він може виконати?

Запитання 58.11. Спираючись на закон збереження і перетворення повної механічної енергії поясніть чому, під час гри на гітарі, струна з часом перестає коливатися.

6. Домашнє завдання.

Підручник:  § 32, 33.

Задача 58.4. Яблуко масою 300 г висить на гілці на висоті 2 м над землею. Яку потенціальну енергію має яблуко? (В. 6 Дж)

Задача 58.5. Яку кінетичну енергію має сталева кулька масою 100 г, що рухається зі швидкістю 25 м/с? (В. 31,25 Дж)

Задача 58.6. Пружину з жорсткістю 200 Н/м розтягли на 10 см. Якого виду енергію набула пружина? Обчисліть її. (В. 1 Дж)

Тести онлайн. Механічна енергія. Версія для друкуВідповіді учнів

Усне опитування по запитаннях до уроку.

7. Перевір себе.

Вправи на закріплення теоретичного матеріалу

Вправа 58.1. Механічна енергія.

Вправа 58.2. Закон збереження і перетворення повної механічної енергії.

8. Для допитливих.