Потенциальная энергия - ВВЕДЕНИЕ. ФИЗИКА В ПОЗНАНИИ ВЕЩЕСТВА, ПОЛЯ, ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ

Цель: сформулировать принцип минимума потенциальной энергии.

Ход урока

I. Повторение. Беседа

1. Сформулируйте определение работы силы

2. В каких единицах измеряется?

3. В чем заключается физический смысл работы?

4. При каких условиях работа силы положительна, отрицательна, равна нулю?

5. Почему накидные лестницы облегчают усилия при подъеме?

II. Самостоятельная работа

Вариант 1

1. По какой формуле следует рассчитывать работу силы F, если угол между направлением силы и перемещения S равен α?

2. На рисунке 93 представлены три варианта взаимного расположения векторов силы F, действующей на тело, и скорости V тела. В каком случае работа силы F отрицательна?

А. 1;

Б. 2;

В. 3;

Г. Ни в одном из случаев 1-3

3. Лыжник может спуститься с горы от точки М до точки N по одной из траекторий, представленных на рисунке 94. При движении по какой траектории работа силы тяжести будет иметь максимальное по модулю значение?

А. 1;

Б. 2;

В. 3;

Г. По всем траекториям работа силы тяжести одинакова.

4. Тело массой 1 кг силой 30 Н поднимается на высоту 5 м. Чему равна работа этой силы?

А. 0 Дж;

Б. 50 Дж;

В. 100 Дж;

Г. 150 Дж

5. Чему равна работа силы упругости, возникающей при растяжении резинового шнура жесткостью k = 1000 Н/м на х = 6 см?

Вариант 2

1. Как называется единица работы в Международной системе единиц?

А. Ныотон;

Б. Ватт;

В. Джоуль;

Г. Килограмм

2. Чему равна работа силы F, если угол а между направлением силы и перемещением тела S равен 90°?

A. FS;

Б. F/S;

В. S/F;

Г. 0

3. На рисунке 95 представлены три варианта взаимного расположения векторов силы F, действующей на тело, и скорости V тела. В каком случае работа силы F положительна?

А. 1;

Б. 2;

В. 3;

Г. Ни в одном из случаев 1-3.

4. Какая формула связывает мощность двигателя, силу тяги и максимальную скорость?

5. Чему равна работа силы, необходимая для подъема груза массой m = 20 кг на высоту h = 5 м с ускорением а = 1,2 м/с²?

Ответы к самостоятельной работе:

	Ответы и номера вопросов
	1	2	3	4	5
Вариант 1	В	Б	г	Г	А = 1,8 Дж
Вариант 2	В	Г	А	Б	А = m(g + a)h ≈ 1,1 кДж

III. Изучение нового материала

Потенциальная энергия - энергия, обусловленная взаимодействием тел.

Потенциальная энергия характеризует не любое взаимодействие тел, а лишь такое, которое описывается силами, не зависящими от скорости. Такими являются сила тяжести, сила упругости. Работа рассматриваемых сил не зависит от формы траектории, а определяется лишь ее начальными и конечными точками.

Силы, которые не зависят от скорости и работа которых на любой замкнутой траектории равна нулю, называют потенциальными силами.

Потенциальной энергией тела в данном положении называется скалярная физическая величина, равная работе, совершаемой потенциальной силой при перемещении тела из данного положения в нулевое.

Нулевое положение иначе называют уровнем отсчета потенциальной энергии, или просто нулевым уровнем.

Находясь на некоторой высоте, любое тело обладает потенциальной энергией, каждой высоте соответствует свое значение Е_р.

Силы, подобные силам тяжести, работа которых при движении тела по замкнутому контуру равна нулю, называют консервативными силами.

Работа силы упругости

Построим график F(x) (рис. 96).

Под координатой выделим на графике маленький участок Δх, значение силы будем считать постоянным.

Тогда ΔА = kx · Δх равна площади выделенного участка проецируемой площади бесконечно малых прямых. Под графиком трапеция:

Консервативными являются почти все силы в природе, в том числе силы взаимодействия между атомами и молекулами. Поэтому установленные закономерности имеют общий характер.

Любая система, предоставленная сама себе, всегда стремится перейти в такое состояние, в котором ее потенциальная энергия имеет наименьшее значение.

В этом заключается принцип минимума потенциальной энергии.

IV. Решение задач

1. На балкон, расположенный на высоте 5 м, бросили с поверхности земли мяч массой 100 г. Во время полета мяч достиг максимальной высоты 8 м от поверхности Земли. Определить работу силы тяжести при полете предмета вверх, вниз и на всем пути. Найти результирующие изменения потенциальной энергии.

Решение:

Работу силы тяжести можно определить как изменение потенциальной энергии. За начало отсчета примем точку на поверхности земли, поэтому потенциальная энергия на высоте: h₀: Е_р1= 0.

При движении вверх работа силы тяжести отрицательна, т. к. векторы силы и перемещения противоположно направлены. При движении мяча вниз сила тяжести совершает положительную работу, а потенциальная энергия тела при этом уменьшается. Работа силы тяжести при полете мяча вверх до максимальной высоты h₁:

Работа силы тяжести при падении мяча от верхней точки до балкона:

На всем пути сила тяжести совершила отрицательную работу:

При этом потенциальная энергия мяча увеличилась:

(Ответ: А₁ = -8 Дж; A₂ = 3 Дж; А = -5 Дж; ΔЕ_р2 = 5 Дж.)

2. Найти работу, которую надо совершить, чтобы сжать пружину, жесткость которой 29,4 Н/см, на 20 см. Считать деформации упругими. (Ответ: А = -58,8 Дж.)

3. Резиновый шнур длиной 1 м под действием груза 10 Н удлинился на 10 см. Найти работу силы упругости. (Ответ: А = 0,5 Дж.)

Домашнее задание

П. 51.