Потенциальная энергия тела как найти высоту

как найти высоту,при известных массы и потенциальной энергии??по физике?))



Ученик

(125),
закрыт



9 лет назад

DoctoR

Искусственный Интеллект

(151250)


10 лет назад

Эта элементарная формула потенциальной энергии – E=mgh
Где Е потенциальная энергия,
М масса
Же – ускорение свободного подения – 9,8 метра в секунду за секунду
Аш – высота.
H=E/(mg) все просто: -)
10Доуль/(50*9.8/1000) = 20.4081633 метров: -)

Как искать высоту в физике?

В данном случае можем воспользоватся формулой H = (g*t^2) / 2. Где H — искомая высота g-ускорение свободного падения равное 9.8 м/c^2 t-время падения. Тогда скорость сможем рассчитать по формуле V=g*t.

Как определить высоту формула?

Первый способ найти высоту – через площадь треугольника. Площадь треугольника вычисляется по формуле: S = 1/2 ah, где (a) – сторона треугольника, h – высота, построенная к стороне (а). Из этого выражения найдите высоту: h = 2S/a.

Что такое H в физике формула?

h — высота столба жидкости, g = 9,8 м/с2.

Как найти высоту с помощью потенциальной энергии?

Потенциальную энергию тела в земном поле тяготения можно рассчитать по формуле: E=m*g*h, где m-масса тела, g-ускорение свободного падения, h-высота над уровнем, принятым за нулевой(обычно принимается уровень земной поверхности). Отсюда высота h=E/(m*g)=60/(3*10)=2 м.

Как найти высоту падения тела?

Свободное падение — прямолинейное движение с постоянным ускорением. Направим ось координат от точки начального положения тела к Земле. Применяя формулы кинематики для прямолинейного равноускоренного движения, можно записать. h=v0+gt22 h = v 0 + g t 2 2 .

Что означает буква H?

H (латиница), h — 8-я буква латинского алфавита. Η, η (эта) — 7-я буква греческого алфавита. ん, ン (Н) — знак каны. h — глухой глоттальный щелевой согласный звук в обозначении Международного фонетического алфавита.

Как найти высоту в трапеции?

Зная площадь трапеции и ее среднюю линию (или два основания, среднее арифметическое которых дает среднюю линию), можно вычислить высоту трапеции, разделив одно на другое: Более изощренным является вычисление высоты трапеции через все ее стороны.

Как найти высоту с помощью давления?

При расчете давления по формуле p = gρh надо плотность ρ выражать в килограммах на кубический метр (кг/м3), а высоту столба жидкости h — в метрах (м), g = 9,8 Н/кг, тогда давление будет выражено в паскалях (Па).

Что обозначает буква H?

В математике обозначают: буквой h — высоту какого-либо тела или фигуры; буквой H — матрицу Гильберта, полиномы Эрмита, преобразование Гильберта, преобразование Хартли, функции Ханкеля, функцию Хевисайда.

Как найти G в физике 7 класс?

очень надо Ускорение свободного падения. Ускорение свободного падения. g = 9,81 м/с2 Например, вес тела равен P = mg, где m — масса тела.

Как рассчитать потенциальную энергию поднятого над землёй тела?

Потенциальная энергия тела, поднятого над землёй, прямо пропорциональна массе m, ускорению свободного падения g и высоте нахождения тела над землёй h. Эти величины объединяются формулой: E пот = m ⋅ g ⋅ h .

Чему равна потенциальная энергия поднятого над землей тела?

Кинетическая энергия «ведет себя» противоположным образом. Следовательно, потенциальная энергия тела, поднятого на некоторую высоту над нулевым уровнем, равна работе силы тяжести, при падении тела с этой высоты до нулевого уровня.

Как найти высоту зная время падения?

h=gt22 h = g t 2 2 . Отсюда находится выражение для времени падения тела с высоты h : t=√2hg t = 2 h g .

Какую скорость развивает человек в свободном падении?

У поверхности Земли (на уровне моря) ускорение свободного падения меняется от 9,832 м/с² на полюсах до 9,78 м/с² на экваторе.

Что такое H маленькая в физике?

h — постоянная Планка. ħ — редуцированная постоянная Планка (постоянная Дирака). h — гелион. Н — напряжённость магнитного поля.

Какой буквой обозначается H?

Английский алфавит. English Alphabet

Буква Транскрипция Произношение
G g [dʒiː] джи
H h [eɪtʃ] эйч
I i [aɪ] ай
J j [dʒeɪ] джей

Чему равна h в трапеции?

Высота трапеции это отрезок, длина которого, равна кратчайшему расстоянию между основаниями и следовательно расположенному перпендикулярно к этим основаниям.

Условие задачи:

Найти высоту, на которой потенциальная энергия груза массой 1000 кг равна количеству теплоты, выделяющейся при замерзании 0,1 кг воды, взятой при температуре плавления.

Задача №5.3.6 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано:

(m_1=1000) кг, (m_2=0,1) кг, (h-?)

Решение задачи:

Из условия задачи ясно, что имеет место следующее равенство:

[{E_п} = Q;;;;(1)]

Потенциальную энергию (E_п) груза массой (m_1) и количество теплоты (Q), выделяющееся при замерзании воды массой (m_2), можно найти по следующим формулам:

[left{ begin{gathered}
{E_п} = {m_1}gh hfill \
Q = lambda {m_2} hfill \
end{gathered} right.]

Удельная теплота кристаллизации воды (lambda) (она же удельная теплота плавления льда) равна 330 кДж/кг.

В таком случае равенство (1) примет вид:

[{m_1}gh = lambda {m_2}]

Откуда искомую высоту (h) можно найти по формуле:

[h = frac{{lambda {m_2}}}{{{m_1}g}}]

Посчитаем ответ к задаче:

[h = frac{{330 cdot {{10}^3} cdot 0,1}}{{1000 cdot 10}} = 3,3;м]

Ответ: 3,3 м.

Если Вы не поняли решение и у Вас есть какой-то вопрос или Вы нашли ошибку, то смело оставляйте ниже комментарий.

Смотрите также задачи:

5.3.5 При трении двух тел, теплоёмкости которых по 800 Дж/К, температура через 1 мин
5.3.7 Чему равна высота водопада, если температура воды у его основания на 0,05 C больше
5.3.8 С какой высоты упал свинцовый шар, если при падении изменение его температуры

Содержание:

Потенциальная энергия:

По определению потенциальная энергия – это энергия взаимодействия. Т. е. потенциальную энергию имеют все взаимодействующие тела. Для каждого вида механического взаимодействия можно рассчитать потенциальную энергию, учитывая особенности данного взаимодействия.

Самым распространенным в природе является гравитационное взаимодействие, проявлением которого является сила тяжести. При определенных условиях эта сила может выполнять работу.

Допустим, тело массой т подвешено над полом на высоте Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Если нить перерезать, то тело начнет падать под действием силы тяжести.

По определению работа А = Fs cosПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами = mgs cosПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Если учесть, что Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами a Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами то Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами или Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Поскольку работа равна изменению энергии, то можно считать, что выражение mgh определяет потенциальную энергию тела в поле силы тяжести Земли на высоте Л. Движение под действием силы тяжести может происходить по разным траекториям. Выясним, будет ли это влиять на значение работы.

Дадим возможность телу свободно скользить без трения по наклонной плоскости под действием силы тяжести (рис. 2.70).

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Если учитывать, что А = mgscosПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, s=AB, то А = mgABcosПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Из треугольника ABC ABcosПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами  = ВС и вместе с тем BD = Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами– h.

Тогда работа силы тяжести при скольжении тела без трения по наклонной плоскости будет равна А = mg(h – Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами).

Следовательно, работа силы тяжести по перемещению тела по наклонной плоскости будет такой же, как и при его падении из точки В, расположенной на высоте Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, в точку D, находящуюся на высоте Л.

Таким образом, работа силы тяжести определяется положением точек начала и конца движения и не зависит от формы траектории.

В тех случаях, когда работа силы не зависит от формы траектории, а определяется начальным и конечным положением тела, пользуются понятием потенциальной энергии.

Если записать формулу для работы силы тяжести в виде

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

т. е. работа определяется изменением величины mgh, которая называется потенциальной энергией тела в поле силы тяжести: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела с противоположным знаком. Это означает, что при падении тела, когда сила тяжести выполняет положительную работу, его потенциальная энергия уменьшается. И наоборот, при движении тела вверх, когда сила тяжести выполняет отрицательную работу, его потенциальная энергия увеличивается. Эта особенность характерна для всех случаев, когда работа силы не зависит от формы траектории.

Что такое потенциальная энергия

Потенциальная энергия (от латинского слова потенциал – возможность) – это энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного тела.

Поскольку любое тело и Земля притягивают друг друга, т. е. взаимодействуют, то потенциальная энергия тела, поднятого над Землей, будет зависеть от высоты подъёма h. Чем больше высота подъёма тела, тем больше его потенциальная энергия.

Опытами установлено, что потенциальная энергия тела зависит не только от высоты, на которую оно поднято, но и от массы тела. Если тела подняты на одинаковую высоту, то тело, у которого масса больше, будет иметь и ббльшую потенциальную энергию. Во время падения поднятого тела на поверхность Земли сила тяжести выполнила работу, соответствующую изменению потенциальной энергии тела со значения её на высоте И до значения на поверхности Земли. Если для удобства принять, что потенциальная энергия тела на поверхности Земли равна нулю, то потенциальная энергия поднятого тела будет равна выполненной во время падения работе:Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Итак, потенциальную энергию тела, поднятого на некоторую высоту, будем определять по формуле: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

где Еп — потенциальная энергия поднятого тела; m — масса тела; Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами = 9,81

h — высота, на которую поднято тело.

Большой запас потенциальной энергии у воды горных или равнинных рек, поднятых плотинами. Падая с высоты вниз, вода выполняет работу: приводит в движение турбины гидроэлектростанций. В Украине на Днепре построено несколько гидроэлектростанций, в которых используют энергию воды для получения электроэнергии. На рисунке 174 изображено сечение такой станции. Вода с более высокого уровня падает вниз и вращает колесо гидротурбины. Вал турбины соединён с генератором электрического тока.

Потенциальной энергией обладает самолёт, летящий высоко в небе; дождевые капли в туче; молот копра при забивании свай. Открывая двери с пружиной, мы растягиваем её, преодолевая силу упругости, т. е. выполняем работу. Вследствие этого пружина приобретает потенциальную энергию. За счёт этой энергии пружина, сокращаясь, выполняет работу – закрывает двери. Потенциальную энергию пружин используют в часах, разнообразных заводных игрушках. В автомобилях, вагонах пружины амортизаторов и буферов, деформируясь, уменьшают толчки.

Потенциальная энергия пружины зависит от её удлинения (изменения длины при сжатии или растяжении) и жёсткости (зависит от конструкции пружины и упругости материала, из которого она изготовлена). Чем больше удлинение (деформация) пружины, и чем больше её жёсткость, тем большую потенциальную энергию она приобретает при деформации. Такая зависимость свойственна любому упруго деформированному телу.

Потенциальную энергию упругодеформированного тела определяют по формуле:   Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

где Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами — потенциальная энергия упруго деформированного тела (пружины); Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами — жёсткость тела (единица жёсткости — 1 Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами — удлинение (деформация) тела (пружины).

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами
Но тела могут обладать энергией не только потому, что они находятся в определённом положении или деформируются, а и потому, что они находятся в движении.

Определение потенциальной энергии

В повседневной жизни можно обнаружить множество различных тел, при перемещении которых может выполняться работа. Так, выпавший из рук шарик начнет падать под действием силы притяжения, которая будет выполнять работу по перемещению шарика.

Сжатая пружина может поднять на определенную высоту груз. В этом случае сила упругости выполняет работу по перемещению груза.

Что такое энергия

Энергия – это физическая величина, показывающая, какая работа может быть выполнена при перемещении тела.

Можно привести еще много разных примеров из природы, из повседневной жизни, из техники, в которых речь идет о телах, находящихся в таком состоянии, что при определенных условиях может выполняться работа при их перемещении. О таких телах говорят, что они обладают энергией. При различных условиях результат выполнения работы может быть разным. Поэтому и энергия может иметь различные значения и может быть рассчитана.

Единицы энергии

Поскольку речь идет о возможности выполнения работы, то энергию целесообразно измерять в таких же единицах, что и работу. Поэтому единицей энергии есть 1 Дж.

Виды механической энергии

В физике выделяют два вида механической энергии: потенциальную и кинетическую. Если тело неподвижно, но па него действует определенная сила, то говорят, что оно обладает потенциальной энергией.

Потенциальной энергией обладает тело, поднятое над поверх-136 ностью Земли, сжатая пружина, сжатый газ, речная вода в водоеме и другие тела.

Как рассчитывают потенциальную энергию

Рассчитывают потенциальную энергию с учетом природы сил, действующих на эти тела. Проще всего рассчитать потенциальную энергию тела, поднятого над поверхностью Земли, поскольку сила, действующая на него, остается практически постоянной на протяжении всего времени его движения под действием этой силы.

Пусть тело массой Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами находится на высоте Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами над землей. Если оно упадет на поверхность, то будет выполнена работа

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Следовательно, о таком теле можно сказать, что оно обладает потенциальной энергией

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия тела, поднятого над поверхностью Земли, пропорциональна массе тела и его высоте над поверхностью Земли.

При расчете потенциальной энергии важно помнить, что высота Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами является путем, который тело преодолеет в вертикальном направлении. Таким образом, всегда следует указывать, относительно какой поверхности определяется потенциальная энергия. Например, тело массой 2 кг, поднятое над столом на высоту 1,5 м, будет обладать потенциальной энергией, равной примерно 30 Дж, а потенциальная энергия этого тела, рассчитанная для высоты 3 м над полом, будет 60 Дж.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела

Расчет работы силы упругости усложняется тем, что в ходе выполнения работы значение силы изменяется. Поскольку изменение силы упругости происходит линейно, то при расчетах работы используют среднее значение силы:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

где Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами – значения силы упругости в начале и в конце процесса.

Учитывая, что Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами (по закону Гука), то

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами
В случае, когда Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами = 0, т. е. сила упругости действует вдоль прямой, по которой происходит перемещение, получим выражение для расчета работы силы упругости:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами
где Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами – удлинение, характеризующее начальную и конечную деформации соответственно.

Для потенциальной энергии тела в поле силы тяжести можно записать:
Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами
Потенциальная энергия упруго деформированного тела зависит от его деформации.

Работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии упруго деформированного тела, взятой с противоположным знаком.

Как и в случае работы силы тяжести, работа силы упругости зависит не от формы траектории, а только от начальной и конечной деформации тела.

Механическая работа и кинетическая энергия

Чтобы шли механические часы, их нужно завести — закрутить пружину; раскручиваясь, пружина совершит работу. Поднявшись на вершину горы, лыжник создаст «запас работы» и в результате сможет скатиться вниз; при этом работу совершит сила тяжести. Самый простой способ разбить окно в горящем доме — бросить в окно камень. Если скорость движения камня достаточна, он разобьет окно — совершит работу. О теле или системе тел, которые могут совершить работу, говорят, что они обладают энергией.

Когда сила совершает механическую работу

Основная задача механики — определение механического состояния тела (координат тела и скорости его движения) в любой момент времени. Механическое состояние тела не изменяется само по себе — необходимо взаимодействие, то есть наличие силы. Когда тело перемещается (изменяет свое механическое состояние) под действием силы, говорят, что данная сила совершает механическую работу.

Механическая работа (работа силы) A — физическая величина, характеризующая изменение механического состояния тела и равная произведению модуля силы F, модуля перемещения s и косинуса угла a между вектором силы и вектором перемещения:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Единица работы в СИ — джоуль: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

1 Дж равен механической работе, которую совершает сила 1 Н, перемещая тело на 1 м в направлении действия этой силы.

Работа силы — величина скалярная, однако она может быть положительной, отрицательной, равной нулю — в зависимости от того, куда направлена сила относительно направления движения тела (см. таблицу).

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Геометрический смысл работы силы

Рассмотрим силу, действующую под некоторым углом α к направлению движения тела. Найдем проекцию этой силы на направление перемещения тела, для чего ось ОХ направим в сторону движения тела (рис. 15.1, а). Из рисунка видим, что Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, следовательно, Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Построим график Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами — зависимости проекции силы от модуля перемещения. Если сила, действующая на тело, постоянна, график этой зависимости представляет собой отрезок прямой, параллельной оси перемещения (рис. 15.1, б). Из рисунка видим, что произведение Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами и s соответствует площади S прямоугольника под графиком.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Рис. 15.1. Если направление оси ОХ совпадает с направлением движения тела, то работа A силы численно равна площади S фигуры под графиком зависимости Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

В этом состоит геометрический смысл работы силы: работа силы численно равна площади фигуры под графиком зависимости проекции силы от модуля перемещения. Это утверждение распространяется и на случаи, когда сила переменная (рис. 15.1, в, г).

Когда тело имеет кинетическую энергию

Рассмотрим тело массой m, которое под действием равнодействующей силы Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами увеличивает скорость своего движения от v0 до v. Пусть равнодействующая Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами не изменяется со временем и направлена в сторону движения тела. Определим работу этой силы.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Величину Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами называют кинетической энергией тела Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Кинетическая энергия — физическая величина, которая характеризует механическое состояние движущегося тела и равна половине произведения массы m тела на квадрат скорости v его движения:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей всех сил, которые действуют на тело, равна изменению кинетической энергии тела:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Если в начальный момент времени тело неподвижно (Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами = 0), то естьПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами= 0, то теорема о кинетической энергии сводится к равенству:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Кинетическая энергия тела, движущегося со скоростью v, равна работе, которую совершает сила, чтобы придать неподвижному телу данную скорость.

Мощность

До сих пор мы говорили о работе силы. Но любая сила характеризует действие определенного тела (или поля). Поэтому работу силы часто называют работой тела (работой поля), со стороны которого действует эта сила. На практике большое значение имеет не только выполненная работа, но и время, за которое эта работа была выполнена. Поэтому для характеристики механизмов, предназначенных для совершения работы, используют понятие мощности.

Мощность P (или N) — физическая величина, характеризующая скорость выполнения работы и равная отношению работы А к интервалу времени t, за который эта работа выполнена:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Единица мощности в СИ — ватт:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

(Названа в честь Джеймса Ватта (1736–1819). Как единицу мощности он ввел лошадиную силу, которую иногда используют и сейчас: 1 л. с. = 746 Вт.)

Мощность, которую развивает транспортное средство, удобно определять через силу тяги и скорость движения. Если тело движется равномерно, а направление силы тяги совпадает с направлением перемещения, тяговую мощность двигателя можно вычислить по формуле:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Обратите внимание! Данная формула справедлива для любого движения: мощность, которую развивает двигатель в данный момент времени, равна произведению модуля силы тяги двигателя на модуль его мгновенной скорости: P = Fv (рис. 15.3).

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Рис. 15.3. Когда для движения автомобиля требуется большая сила тяги, водитель переходит на меньшую скорость или нажимает на газ, увеличивая таким образом мощность двигателя

Чтобы определить механическую работу и мощность, нужно знать силу, действующую на тело, перемещение тела и время его движения. Поэтому обычно решение задач на определение работы и мощности сводится к решению задач по кинематике и динамике.

Пример №1

Автомобиль массой 2 т движется равномерно со скоростью 20 м/с по горизонтальному участку дороги. Какие силы действуют на автомобиль? Найдите работу каждой силы и тяговую мощность двигателя автомобиля, если коэффициент сопротивления движению равен 0,01, а время движения — 50 с.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Решение:

Выполним пояснительный рисунок, на котором укажем силы, действующие на автомобиль: силу тяжести Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, силу тяги Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, силу сопротивления движению Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, силу Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами нормальной реакции опоры. По определению работы: A = Fscosα

Чтобы определить работу каждой силы, нужно найти::

  • угол между направлением этой силы и направлением перемещения;
  • модуль силы и модуль перемещения.

1. Автомобиль движется равномерно, поэтому действующие на него силы скомпенсированы: — сила тяжести уравновешена силой нормальной реакции опоры: N = mg; — сила тяги уравновешена силой сопротивления движению: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

2. Перемещение автомобиля можно найти по формуле: s = vt .

3. Сила тяжести и сила нормальной реакции опоры перпендикулярны направлению движения автомобиля (α = 90°, cosα = 0). Следовательно, работа этих сил равна нулю. Сила тяги направлена в сторону движения тела: α = 0, cosα = 1, поэтому:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Сила сопротивления противоположна движению: α = 180°, cosα = −1, поэтому:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

4. Тяговую мощность двигателя автомобиля определим по формуле Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПроверим единицы, найдем значения искомых величин:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Выводы:

Потенциальная энергия и закон сохранения механической энергии

Поднятый молот не обладает кинетической энергией, так как его скорость равна нулю. Но если молот отпустить, он совершит работу (расплющит металл). Натянутая тетива лука не имеет кинетической энергии, но, выпрямляясь, она придаст скорость стреле, а значит, совершит работу. И деформированное тело, и тело, поднятое над поверхностью Земли, способны совершить работу, то есть обладают энергией. Что это за энергия и как ее рассчитать?

Когда тело обладает потенциальной энергией

Механическая энергия E — физическая величина, характеризующая способность тела (системы тел) совершить работу.

Единица энергии (как и работы) в СИ — джоуль [E] = 1 Дж (J).

Любое движущееся тело может совершить работу, поскольку оно обладает кинетической энергией, или «живой силой», как ее называли раньше. Есть еще один вид механической энергии — ее называли «мертвая сила». Это — потенциальная энергия (от лат. potentia — сила, возможность), — энергия, которую имеет тело в результате взаимодействия с другими телами.

Потенциальная энергия — энергия, которой обладает тело вследствие взаимодействия с другими телами или вследствие взаимодействия частей тела.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Рис. 16.1. И девочка в результате взаимодействия с Землей (а), и сжатая пружина в результате взаимодействия ее витков (б) обладают потенциальной энергией

Девочка на вершине горки (рис. 16.1, а) обладает потенциальной энергией, поскольку в результате взаимодействия с Землей может начать движение и сила тяжести совершит работу. Но как вычислить эту работу, ведь горка неровная и в течение всего времени движения угол между направлением силы тяжести и направлением перемещения будет изменяться?

Сжатая пружина (рис. 16.1, б) тоже обладает потенциальной энергией: при распрямлении пружины сила упругости совершит работу — подбросит брусок. Но как вычислить эту работу, ведь во время действия пружины на брусок сила упругости непрерывно уменьшается?

Оказывается, все не так сложно. И сила тяжести, и сила упругости имеют одно «замечательное» свойство — работа этих сил не зависит от формы траектории. Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным механическими состояниями тела (системы тел), называют потенциальными, или консервативными, силами (от лат. conservare — сохранять, охранять).

Потенциальная энергия поднятого тела

Докажем, что сила тяжести — консервативная сила. Для этого определим работу силы тяжести при движении тела из точки K в точку B по разным траекториям.

Случай 1. Пусть траектория движения тела — «ступенька» (рис. 16.2, а): сначала тело падает с некоторой высоты Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами до высоты h и сила тяжести совершает работу Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами, затем тело движется горизонтально и сила тяжести совершает работу Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами. Работа — величина аддитивная, поэтому общая работа Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами = 0, так как сила тяжести перпендикулярна перемещению тела. Итак: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Случай 2. Пусть тело перемещается из точки K в точку В, скользя по наклонной плоскости (рис. 16.2, б). В этом случае работа силы тяжести равна:Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Рис. 16.2. При перемещении тела с высоты Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами до высоты h работа силы тяжести, независимо от траектории движения тела, определяется по формуле:Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Тот же результат получим и для случаев перемещения тела по произвольной траектории. Следовательно, работа силы тяжести не зависит от траектории движения тела, то есть сила тяжести — консервативная сила. Величину mgh называют потенциальной энергией поднятого тела:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия поднятого тела зависит от высоты, на которой находится тело, то есть зависит от выбора нулевого уровня, — уровня, от которого будет отсчитываться высота. Нулевой уровень выбирают из соображений удобства. Так, находясь в комнате, за нулевой уровень целесообразно взять пол, определяя высоту горы — поверхность Мирового океана.

Обратите внимание! Изменение потенциальной энергии, а следовательно, и работа силы тяжести от выбора нулевого уровня не зависят.

  • Заказать решение задач по физике

Потенциальная энергия упруго деформированного тела

Пусть имеется упруго деформированное тело — растянутая пружина. Определим работу, которую совершит сила упругости при уменьшении удлинения пружины от Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами до x (рис. 16.3). Воспользуемся для этого геометрическим смыслом механической работы (рис. 16.4):

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Таким образом, работа силы упругости определяется только начальным и конечным состояниями пружины, то есть сила упругости — консервативная сила. Величину Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами называют потенциальной энергией упруго деформированного тела:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Работа силы упругости (как и силы тяжести) равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Данное выражение — математическая запись теоремы о потенциальной энергии: работа всех консервативных сил, действующих на тело, равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком.

Состояние с меньшей потенциальной энергией является энергетически выгодным; любая замкнутая система стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия минимальна, — в этом заключается принцип минимума потенциальной энергии. Действительно, камень, выпущенный из руки, никогда не полетит вверх — он будет падать, стремясь достичь состояния с наименьшей потенциальной энергией. Недеформированная пружина никогда не станет сама растягиваться или сжиматься, а деформированная пружина стремится перейти в недеформированное состояние.

Закон сохранения полной механической энергии

Как правило, тело или система тел обладают и потенциальной, и кинетической энергиями. Сумму кинетических и потенциальных энергий тел системы называют полной механической энергией системы тел: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами (рис. 16.5).

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Рассмотрим замкнутую систему тел, взаимодействующих друг с другом только консервативными силами (силами тяготения или силами упругости). По теореме о потенциальной энергии работа A, совершаемая этими силами, равна: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами. С другой стороны, согласно теореме о кинетической энергии эта же работа равна: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами. Приравняв правые части равенств, получим закон сохранения и превращения полной механической энергии:

В замкнутой системе тел, взаимодействующих только консервативными силами, полная механическая энергия остается неизменной (сохраняется):

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Закон сохранения полной механической энергии предполагает превращение кинетической энергии в потенциальную и наоборот (рис. 16.6). Однако сохраняется ли при этом полная механическая энергия? Наш опыт подсказывает, что нет. И действительно, закон сохранения полной механической энергии справедлив только в случаях, когда в системе отсутствует трение. Однако в природе не существует движений, не сопровождающихся трением. Сила трения всегда направлена против движения тела, поэтому при движении она совершает отрицательную работу, при этом полная механическая энергия системы уменьшается:

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

где Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами — работа силы трения; E, Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами — полная механическая энергия системы в конце и в начале наблюдения соответственно.

Потери энергии наблюдаются и в случае неупругого удара. Так что, при наличии трения или при неупругой деформации энергия бесследно исчезает? Казалось бы, да. Однако измерения показывают, что в результате и трения, и неупругого удара температуры взаимодействующих тел увеличиваются, то есть увеличиваются внутренние энергии тел. Значит, кинетическая энергия не исчезает, а переходит во внутреннюю энергию.

Энергия никуда не исчезает и ниоткуда не появляется: она только переходит из одного вида в другой, передается от одного тела к другому.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Алгоритм решения задач с применением закона сохранения механической энергии

  1. Прочитайте условие задачи. Выясните, является ли система замкнутой, можно ли пренебречь действием сил сопротивления. Запишите краткое условие задачи.
  2. Выполните пояснительный рисунок, на котором укажите нулевой уровень, начальное и конечное состояния тела (системы тел).
  3. Запишите закон сохранения механической энергии. Конкретизируйте запись, воспользовавшись данными условия задачи и соответствующими формулами для определения энергии.
  4. Решите полученное уравнение относительно неизвестной величины.
  5. Проверьте единицу, найдите значение искомой величины.
  6. Проанализируйте результат, запишите ответ.

Пример №2

Какую минимальную скорость нужно сообщить шарику, подвешенному на нити длиной 0,5 м, чтобы он смог совершить полный оборот в вертикальной плоскости? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Анализ физической проблемы

  • Сопротивлением воздуха пренебрегаем, поэтому система «шарик — нить — Земля» является замкнутой и можно воспользоваться законом сохранения механической энергии.
  • За нулевой уровень примем самое низкое положение шарика.
  • В самой высокой точке траектории шарик имеет некоторую скорость, иначе он не продолжил бы вращаться, а стал бы падать вертикально вниз.
  • Для определения скорости движения шарика в наивысшей точке траектории воспользуемся определением центростремительного ускорения и вторым законом Ньютона.
  • Нужно найти минимальную скорость движения шарика в момент толчка, поэтому понятно, что в наивысшей точке траектории нить натянута не будет, то есть сила ее натяжения будет равна нулю.

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПотенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Решение:

На рисунке отметим положения шарика в самой нижней и самой верхней точках траектории; силы, действующие на шарик в верхней точке; направление ускорения. По закону сохранения механической энергии: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Согласно второму закону Ньютона: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами.

Поскольку Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Подставим выражение (2) в выражение (1): Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерамиПроверим единицу, найдем значение искомой величины: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Ответ: Потенциальная энергия в физике - формулы и определения с примерами

Выводы:

  • Кинетическая энергия
  • Закон сохранения и превращения механической энергии
  • Работа, мощность и энергия
  • Движение и силы
  • Мощность в физике
  • Взаимодействие тел
  • Механическая энергия и работа
  • Золотое правило механики

Найди верный ответ на вопрос ✅ «Как найти высоту если известна масса 0.5 кг g=10 м/С2 И полная механическая энергия = 200 Дж …» по предмету 📙 Физика, а если ответа нет или никто не дал верного ответа, то воспользуйся поиском и попробуй найти ответ среди похожих вопросов.

Искать другие ответы

Главная » Физика » Как найти высоту если известна масса 0.5 кг g=10 м/С2 И полная механическая энергия = 200 Дж

Добавить комментарий