Здравствуйте, уважаемые обучающиеся. Энергия - это очень модное слово имеющее множество применений в областях не имеющих никакого отношения к физике. Этой лекцией, например, мы с вами закончили изучение физики за 7 класс, это потребовало от нас огромной энергии, это была огромная работа. Например, приходится делать замечание тем кто никак не может усидеть на месте, говоря при этом сколько же в нем энергии. Какой это энергичный человек. Иногда можно услышать, вот в этом месте скопление космической энергии, поэтому ту очень полезно находится (это, конечно же, беллетристика). Так что же такое энергия? Все что мы перечислили выше - это все бытовые приложения этого слова, а физике у энергии есть совершенно четкое определение.
Вот смотрите, мы совершаем работу или как-то человек совершает работу, но для того чтобы совершить работу, что-то нужно. Например, для того чтобы мы могли таскать грузы, нас сначала нужно покормить для начала. Для того, чтобы гиря могла расколоть орех, недостаточно просто положить гирю на орех. А нужно ее поднять и тогда, если мы уроним эту гирю, то гиря может расколот орех упав на этот орех. Значит гиря, которая находится на орехе неспособна совершить работу по раскалыванию ореха. И гиря, которая опущена и которая поднята - они находятся в разных состояниях. В состоянии внизу гиря не способна совершить работу, а в верхнем состоянии способна совершить работу по раскалыванию ореха. Значит о теле или о системе тел, говорят, что они обладают энергией, если они способны совершить работу. Давайте запишем...
Если тело или система тел способны совершить работу, то говорят, что они обладают энергией.
Т.е энергия - это физическая величина характеризующая способность тела совершать работу.
Если мы вводим новую физическую величину, то обычно мы договариваемся о том какой буквой мы будем ее обозначать. Энергию мы с вами будем обозначать буквой Е. Если тело способно совершать работу, т.е если тело обладает энергией, то как вы думаете в каких единицах должна измерятся способность тела? В джоулях. Почему? Потому что работа измеряется в джоулях. Т.е энергия измеряется в тех же единицах в каких измеряется и работа. Единица измерения энергии в международной системе - это джоули. Сегодня мы с вами познакомимся с несколькими видами энергии и некоторые виды энергии даже научимся вычислять. Давайте рассмотрим такой пример...
Например, у вас есть часы, но не такие электронные, а механические наручные. Давайте вспомним, что мы делаем с ними каждый день? Мы их заводим. А что в это время происходит? Во время завода мы скручиваем сжимая пружину. Значит если пружина сжата, то она способна совершать работу по приведению в действие механизма часов. Следовательно сжатая пружина обладает энергией. Эта энергия уменьшается по мере того как пружина распрямляется и при этом происходит совершение работы. Т.е совершение работы сопровождается изменением энергии, в частности, уменьшением энергии. Она расходуется на приведение в действие механизма пружины. Другой пример...не обязательно это должна быть пружина, которая скручивается. Это может быть пружина, которая просто сжата.
Давайте, для примера, возьмем часы с маятником которые приводились в движение с помощью поднятой гири.
Скажите пожалуйста, если бы приведенные в примере часы с маятником были бы размещены где-то в космосе могли бы они идти? Нет. почему? Потому что не было бы веса у этой гири. Что действует на гирю? Сила тяжести. А ведь сила тяжести - это сила с которой Земля действует на гирю. Значит, если бы только была бы гиря и не было Земли, то тогда гиря бы не обладала энергией. Значит энергия, которой обладает гиря - это энергия взаимодействия гири с Землей. Не было бы Земли не было бы энергии.
И так тот вид энергий с которым мы вот сейчас познакомились - это энергия взаимодействия. Одного тела - гири, с другим телом, в нашем случае, с Земным шаром. Скажите пожалуйста, а вот когда мы скручиваем пружину наручных часах, то что там взаимодействует? Пружина взаимодействует сама с собой. Две части пружины взаимодействуют друг с другом. Если мы пользуемся пружиной, то в ней возникает сила упругости в следствии деформации. Т.е отдельные части пружины взаимодействуют друг с другом.
И вот энергия взаимодействия тел или частей одного тела носит название потенциальная энергия.
Давайте запишем более строгое определение, что такое потенциальная энергия.
Потенциальной энергией - называется энергия взаимодействия тел или частей одного тела.
Как вычислять потенциальную энергию зависит от того с какой системой мы имеем дело. И мы сможем с вами сейчас рассчитать потенциальную энергию тела поднятого над Землей.
После того, как мы узнали, что такое потенциальная энергия, мы теперь даже можем пользоваться такими терминами как...когда мы говорим, что мы поднимаем тело по наклонной плоскости, мы это делаем для чего? Для того, чтобы сообщить телу потенциальную энергию. Т.е потенциальная энергия приобретенная телом - это фактически полезная работа, которую мы можем использовать, когда вычисляем коэффициент полезного действия.
Стоит отметить, что в формуле потенциальной энергии тела, поднятого над Землей есть два тонких момента, про которые не стоит забывать...
Скажите пожалуйста, а что если мы будем отсчитывать высоту не от уровня стола, а от уровня, например школьного дворика. Потенциальная энергия будет другая? Да, совершенно верно! Все дело в том, что потенциальная энергия зависит от того от какого уровня мы эту энергию отсчитываем. Если высоту отсчитывать от уровня стола, то мы найдем потенциальную энергию этой гири относительно стола. Если отсчитывать относительно уровня моря, то мы найдем потенциальную энергию относительно уровня моря.
Как вы думаете не приводит ли это к каким-то неоднозначностям? Что вы думаете по этому поводу? Например, если поставить орех на столе или на полу и скинуть на них гирю с одинаковой высоты, сначала на орех на столе, потом на орех на полу, то на полу энергия будет больше. Почему так будет? Потому что потенциальная энергия относительно пола больше, но работа равна не самой энергии, а ее изменению. Если мы отсчитываем потенциальную энергию не от уровня стола, а от уровня моря, то все равно когда гиря опускается или поднимается потенциальная энергия увеличивается или уменьшается на одну и ту же величину. Поэтому не важно от какого уровня мы отсчитываем потенциальную энергию, потому что в задачах по вычислению работы стоит изменение потенциальной энергии.
Следующая ситуация...представьте себе, что вы хотите забить гвоздь в стенку. Мы прикладываем к стенке гвоздь и давим на него молотком. Получится таким образом забить гвоздь? Нет. А вообще нужно, что бы совершить работу, чтобы забить гвоздь? Значит для того, чтобы забить гвоздь нужно совершить работу. Каким же образом мы забиваем гвоздь. За счет чего мы может эту работу совершить? Мы сначала отводим молоток от гвоздя, потом наносим удар. А что значит наносим удар? Чтобы ударить сильно нужно разогнать молоток. И вот давайте эту ситуацию рассмотрим подробнее...
Энергией, которой обладает движущееся тело называется кинетической.
Откуда взялось название кинетическая энергия? Давайте вспомним как называется движущаяся фотография? Движущаяся фотография - это кино. Значит кинетическая энергия, кино, есть еще такое модное слово среди шарлатанов причисляющих себя к науке - телекинез. "Теле" - это далеко, "кинез" - это перемещение. Перемещение тел на расстояние (в реальности, конечно же, такого не существует. Корень у всех этих слов один и тот же - "кино". Таким образом, если резюмировать, то кинетическая энергия - это энергия движения. Давайте разберемся от чего зависит кинетическая энергия. Зависит ли кинетическая энергия от массы тела, как вы думаете? Конечно! Представьте себе, что у нас движется со скоростью 1 метр в секунду килограммовая гиря. Но мы ведь можем считать, что эта килограммовая гиря - это, например, 5 штучек гирь по 200 гр., которые объединились в одно тело. Значит каждая из этих двухсот граммовых гирек обладает энергией в 5 раз меньшей, чем килограммовая. В пять раз меньше масса, в пять раз меньше энергия. Значит кинетическая энергия, должна быть прямо пропорциональна массе. С другой стороны зависит ли кинетическая энергия от скорости? Конечно, зависит! Если я буду медленно ударять по гвоздю, то я его не забью. Если я очень быстро разгоню молоток до высокой скорости, то гвоздь будет забит. Пока мы с вами не будем доказывать, что кинетическая энергия пропорциональна не скорости, а ее квадрату и пока что примите на веру, что формула для вычисления кинетической энергии
Очень важно, что кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, об этом нужно помнить каждому водителю. Например, если вы едете со скоростью 40 км/ч и если вы едете со скоростью 80 км/ч, то работу, которую может совершить ваш автомобиль, если не дай бог он встретит на своем пути, будет отличаться в 4 раза. Тормозной путь, если вы резко затормозите и работа силы трения уменьшит вашу скорость до нуля, то тормозной путь тоже увеличится в 4 раза. Т. е обязательно нужно, когда вы водите транспортное средство соблюдать скоростной режим, иначе может случится беда.
Теперь давайте обратим внимание вот на что. Гиря поднятая над Землей обладает потенциальной энергией. Если мы отпустим гирю, что тогда будет происходит с потенциальной энергией? Она будет уменьшаться. Что будет происходит со скоростью гири по мере ее движения вниз? Гиря будет разгонятся. Значит кинетическая энергия будет увеличиваться. так что же получается уменьшение потенциальной энергии сопровождается увеличением кинетической энергии. Правда, для этого должны выполнятся некоторые условия. Мы можем, например, эту же гирю спустить вниз с наклонной плоскости, где есть трение. Если трение есть, то можно добиться того, что молоток или какое-то другое тело будет равномерно сползать с наклонной плоскости. При этом будет уменьшаться его потенциальная энергия? Да, потенциальная энергия будет уменьшатся, тело будет съезжать все ниже и ниже, но поскольку оно не разгоняется, то кинетическая энергия при этом увеличиваться не будет. А вот если наклонную плоскость взять абсолютно гладкую или если просто ронять тело, то насколько уменьшится потенциальная энергия, настолько увеличится и кинетическая энергия. Т.е уменьшение потенциальной энергии сопровождается увеличением кинетической энергии и наоборот, когда мы гирю подбрасываем мы эту гирю разгоняем до определенной скорости и сообщаю ей кинетическую энергию, за счет своей работы. Но когда гиря поднимается вверх она замедляется в верхней точке, при этом останавливается, ее кинетическая энергия становится равной нулю, но зато потенциальная энергия достигает максимального значения. Значит, если в системе отсутствует трение, то уменьшение потенциальной энергии равно увеличению кинетической. Скажите пожалуйста, а что можно сказать о сумме потенциальной и кинетической энергий? Сумма этих энергий постоянна! И может быть равна нулю, а может быть какой-то другой величины. Например, чтобы поднять гирю над столом на один метр нам надо совершить работу 10 Дж. Значит потенциальная энергия гири, в нашем случае, поднятой над столом 10 Дж. Но когда она коснется стола в момент соприкосновения со столом ее потенциальная энергия станет равной нулю, а кинетическая энергия станет равной 10 Дж. А суммарная потенциальная и кинетическая энергии такую величину называют полная механическая энергия остается при этом постоянной. Давайте запишем этот факт. В системах, где отсутствуют силы трения, насколько уменьшится потенциальная энергия, настолько же увеличивается и кинетическая энергия. В системах, где отсутствует сила трения, насколько уменьшается потенциальная энергия, настолько же увеличивается и кинетическая энергия. Выше сформулированный факт носит название закона полной механической энергии. В строгой формулировке мы рассмотрим этот закон в дальнейших лекциях, а сейчас давайте посмотрим на примере как он работает.
Давайте теперь рассмотрим такую демонстрационную задачу, связанную с поведением нитяного маятника.
И так энергия способна переходить из одного вида в другой. И последнее, когда потенциальная энергия переходит в кинетическую сила тяжести совершает работу. Так вот оказывается, что переход энергии из одного вида в другой всегда сопровождается совершением работы. Поэтому можно сказать, что работа - эта мера перехода энергии из одного вида в другой. На этом наш расширенный курс физики, который соответствует курсу физики 7 класса закончен.
На этом мы эту лекцию закончим
Если тебе понравилось, то пожалуйста подпишись на канал и поддержи автора.