Міністерство освіти и науки України
Горлівський технікум Донецького національного університету
Реферат
З дисціплини: “Фізика"
На тему:
"Кінетична і потенційна енергія"
Виконав студент
групи 2 ПМ-10
Ахметов Сергій Сергійович
2010
Зміст
Вступ
I. Велика роль фізики у розвитку людства
II. Історія виникнення термінів "енергія", "кінетична енергія", "потенційна енергія"
III. Кінетична енергія
IV. Потенційна енергія
Список використаної літератури
Фізика показує фундаментальну взаємозв'язок процесів і явищ у природі в якісній і кількісній формі. Вона дозволяє глибоко розуміти те, що відбувається навколо тебе і в співдружності з математикою дозволяє прогнозувати події. Врешті решт саме фізики повинні дати досконалий відповідь на питання, як же все-таки насправді виник Всесвіт.
Важко переоцінити роль фундаментальних фізичних досліджень в розвитку техніки. Так, дослідження теплових явищ у XIX ст. сприяли швидкому вдосконалення теплових двигунів. Фундаментальні дослідження в області електромагнетизму призвели до виникнення і швидкого розвитку електротехніки. У першій половині XIX ст. був створений телеграф, в середині століття з'явилися електричні освітлювачі, а потім електродвигуни. У другій половині XIX ст. хімічні джерела електричного струму стали витіснятися електрогенераторами. Дев'ятнадцяте століття завершився тріумфально: з'явився телефон, народилося радіо, був створений автомобіль з бензиновим двигуном, у ряді столиць відкрилися лінії метрополітену, зародилася авіація. У 1912 р.В.Я. Брюсов написав рядки, в яких добре відбилося переможний настрій тих років:
Здійснилися всі мрії, що були такі далекі. Переможний розум пройшов за роки сотні миль. При електриці пишу я ці рядки, І біля воріт, гудучи, стоїть автомобіль.
А між тим науково-технічний прогрес тільки ще набирав темп; науково-технічна революція XX ст. ще тільки назрівала. Відкриття електрона, створення і становлення квантової теорії, виникнення атомної фізики, а потім фізики твердого тіла - все це зумовило народження і швидкий розвиток електроніки. Спочатку виникла вакуумна електроніка (електронні лампи, електронно-променеві трубки); в 50-х роках стала розвиватися напівпровідникова електроніка (у 1948 р. було винайдено транзистор); в 60-х роках народилася мікроелектроніка. Прогрес в області елект ¬ Ронік привів до створення досконалих систем радіозв'язку, радіоуправління, радіолокації. Розвивається телебачення, змінюються один за одним покоління ЕОМ (зростає їх швидкодію, удосконалюється пам'ять, розширюються функціональні можливості), з'являються промислові роботи. У 1957 р. відбувся виведення на навколоземну орбіту першого штучного супутника Землі; 1961 р. - політ Ю.А. Гагаріна - першого космонавта планети; 1969 р. - перші люди на Місяці. Нас майже вже не дивують вражаючі успіхи космічної техніки. Ми звикли до запусків штучних супутників Землі (їх число давно перевалило за тисячу); стають все більш звичними польоти космонавтів на пілотованих космічних кораблях, їх багатоденні вахти на орбітальних станціях. Ми познайомилися з зворотною стороною Місяця, отримали фотознімки поверхні Венери, Марса, Юпітера, комети Галлея.
Фундаментальні дослідження в області ядерної фізики дозволили впритул приступити до вирішення однієї з найбільш гострих проблем - енергетичну проблеми. Перші ядерні реактори з'явилися в 40-х роках, а в 1954 р. в СРСР початку діяла перша в світі атомна електростанція - народилася ядерна енергетика. В даний час на Землі працює понад триста АЕС; вони дають близько 20% всієї виробленої у світі електричної енергії. Розгорнуто інтенсивні дослідження з термоядерного синтезу; прокладаються шляху до термоядерної енергетиці.
Успіхи в дослідженні фізики газового розряду і фізики твердого тіла, більш глибоке розуміння фізики взаємодії оптичного випромінювання з речовиною, використання принципів і методів радіофізики - все це обумовило розвиток ще одного важливого науково-технічного спрямування - лазерної техніки. Цей напрямок виникло всього тридцять років тому (перший лазер створено у 1960 р), але вже сьогодні лазери знаходять широке застосування в багатьох областях практичної діяльності людини. Лазерний промінь виконує різноманітні технологічні операції (зварює, ріже, пробиває отвори, гартує, маркує і т.д.), використовується в якості хірургічного скальпеля, виконує найточніші вимірювання, трудиться на будівельних майданчиках і злітно-посадочних смугах аеродромів, контролює ступінь забруднення атмосфери і океану. У найближчій перспективі ла ¬ зерна техніка дозволить реалізувати в широких масштабах оптичну зв'язок і оптичну обробку інформації, провести своєрідну революцію в хімії (управління хімічними процесами, отримання нових речовин і, зокрема, особливо чистих речовин) та здійснити керований термоядерний синтез.
Говорячи про зв'язок між розвитком фізики та науково-технічним прогресом, слід зазначити, що цей зв'язок двостороння. З одного боку, досягнення фізики лежать в основі розвитку техніки. З іншого - підвищення рівня техніки створює умови для інтенсіфікаціі фізичних досліджень, робить можливим постановку принципово нових досліджень. В якості прикладу можна вказати на найважливіші дослідження, що виконуються на ядерних реакторах або на прискорювачах заряджених частинок.
Впливаючи вирішальним чином на науково-технічний прогрес, фізика тим самим робить істотний вплив і на всі сторони життя суспільства, зокрема на людську культуру. Проте в даному випадку ми маємо на увазі не це опосередкований вплив фізики на культуру, а вплив безпосереднє, що дозволяє говорити про саму фізики як про компонент культури. Іншими словами, мова йде про гуманітарне змісті самого предмета фізики, яка пов'язана з розвитком мислення, формуванням світогляду, вихованням почуттів. Ми маємо на увазі органічний зв'язок фізики з розвитком суспільної свідомості, вихованню певного ставлення до навколишнього світу.
Стверджуючи матеріалістичну діалектику, фізика XX ст. відкрила низку винятково важливих істин, значимість яких виходить за рамки самої фізики, істин, які стали загальнолюдським надбанням. По-перше, була доведена фундаментальність дивастических закономірностей як відповідних більш глибокому етапу (у порівнянні з закономірностями динамічними) в процесі пізнання світу. Було показано, що ймовірна форма причинності є основною, а жорстка, однозначна причинність є не більше ніж приватний випадок. Фізика надала нам унікальну можливість: на основі статистичних теорій розглянути кількісно діалектику необхідного і випадкового. Виходячи за рамки власних завдань, сучасна фізика показала, що випадковість не тільки плутає і порушує наші плани, але і може нас збагачувати, створюючи нові можливості.
По-друге, фізика XX ст. продемонструвала загальність принципу симетрії, змусила значно глибше поглянути на симетрію, розширивши це поняття за рамки геометричних уявлень, а головне, розглянула діалектику симетрії і асимметрії, пов'язавши її з діалектикою загального і різного, збереження і зміни. Було поставлено питання про симетрії-асиметрії фізичних законів, у зв'язку з чим була виявлена особлива роль законів збереження. Виходячи за рамки власних завдань, фізика наочно показала, що симетрія обмежує число можливих варіантів структур або варіантів поведінки систем. Ця обставина дуже важливо, тому що дає можливість в багатьох випадках знаходити рішення як результат виявлення єдино можливого варіанту, без з'ясування подробиць (рішення з міркувань симетрії).
По-третє, фізика XX ст. показала, що в міру поглиблення наших знань відбувається поступове стирання кордонів, руйнування перегородок. Так, стирається грань між корпускулярним і хвильовим рухами, між речовиною і полем. Виявилося, що як речовина, так і поле складаються з елементарних часток і, більше того, порожнеча - це зовсім не порожнеча в звичайному розумінні, а фізичний вакуум, "наповнений" віртуальними частинками. Нормою поведінки для частинок, що розглядаються в сучасній фізиці, є взаємоперетворення, тому світ постає перед нами як єдине ціле. У цьому світі поняття повністю ізольованого об'єкта по суті справи відсутній. Тут доречно нагадати відомий ленінське зауваження, що в природі немає абсолютних граней - , що "всі грані в природі умовні, відносні, рухливі, висловлюють наближення нашого розуму до пізнання матерії"
По-четверте, сучасна фізика подарувала нам принцип відповідно. Він виник у квантовій механіці на етапі її початкового розвитку, але потім перетворився на загальний методологічний принцип, що відображає діалектику процесу пізнання світу. Він демонструє важливе положення діалектики: процес пізнання - це процес постатечного і нескінченного наближення до абсолютної істини через послідовність відносних істин. Принцип відповідності показує, як саме у фізиці реалізується зазначений процес наближення до істини. Це не механічне додавання нових фактів до вже відомих, а процес послідовного узагальнення, коли нове заперечує старе, але заперечує не просто, а з утриманням всього того позитивного, що було накопичено в старому. "Вивчення фізики дає можливість показати, що всі фізичні уявлення та теорії відображають об'єктивну реальність лише наближення женно, що наші уявлення про світ безперервно поглиблюються і розширюються, що процес пізнання матеріального світу безкінечний"
Наші уявлення про світ... Немає необхідності доводити, що сучасне світорозуміння - важливий компонент людської культури. Кожна культурна людина повинна хоча б у загальних чертax представляти, як влаштований світ, в якому він живе. Це необхідно не тільки для загального розвитку. Любов до природи передбачає повагу до в ній процесів, а для цього треба розуміти, за якими законами вони відбуваються. Ми маємо багато повчальних прикладів, коли природа карала нас за наше невігластво; пора навчитися отримувати з цього уроки. Не можна також збувати, що саме знання законів природи є ефективна зброя боротьби з містичними уявленнями, є фундамент атеїстичного виховання.
Сучасна фізика вносить істотний внесок у вироблення нового стилю мислення, який можна назвати планетарним мисленням. Вона звертається до проблем, що мають велике значення для всіх країн і народів. Сюди відносяться, наприклад, проблеми сонячно-земних зв'язків, що стосуються впливу сонячних випроміню чений на магнітосферу, атмосферу та біосферу Землі; прогнози фізичної картини світу після ядерної катастрофи, якщо така вибухне; глобальні екологічні проблеми, пов'язані із забрудненням Світового океану і земної атмосфери.
На закінчення відзначимо, що, впливаючи на самий характер мислення, допомагаючи орієнтуватися у шкалі життєвих цінностей, фізика сприяє, в кінцевому рахунку, виробленню адекватного ставлення до навколишнього світу і, зокрема, активної жизнен ної позиції. Будь-якій людині важливо знати, що світ в принципі можна пізнати, що випадковість не завжди шкідлива, що потрібно і можна орієнтуватися і працювати у світі, насиченому випадковостями, що в цьому світі, що змінюється є тим не менш "опорні точки", інваріанти (що б не змінювалося, а енергія зберігається), що в міру поглиблення знань картина неминуче ускладнюється, стає діалектично, так що вчорашні "перегородки" більше не годяться.
Ми переконуємося, таким чином, що сучасна фізика дійсно містить в собі потужний гуманітарний потенціал. Можна не вважати занадто великим перебільшенням слова американського фізика І. Рабі: "Фізика складає серцевину гуманітарної освіти нашого часу".
II.
Історія виникнення термінів "енергія", "кінетична енергія", "потенційна енергія"
Термін "енергія" походить від слова energeia, яке вперше з'явилася в роботах Аристотеля.
Маркіза Емілі дю Шатле в книзі Уроки фізики (Institutions de Physique), опублікованій в 1740 році, об'єднала ідею Лейбніца з практичними спостереженнями Віллема Гравесена (Willem Jacob 's Gravesande), щоб показати: енергія рухається, пропорційна його масі і квадрату його швидкості (не швидкості самої по собі як вважав Ньютон).
У 1807 році Томас Юнг першим використав термін "енергія" в сучасному розумінні цього слова замість поняття жива сила. Гюстав Гаспар Коріоліса вперше використав термін "кінетична енергія" в 1829 році, а в 1853 році Вільям Ренкін вперше ввів поняття "потенційна енергія".
Кілька років велися суперечки, чи є енергія субстанцією (теплорода), або лише фізичною величиною.
Розвиток парових двигунів вимагало від інженерів розробити поняття і формули, які дозволили б їм описати механічний і термічний коефіцієнти корисної дії своїх систем. Інженери такі як Саді Карно, фізики такі як Джеймс Джоуль, математики такі як Еміль Клапейрон і Герман Гельмгольц - все розвивали ідею, що здатність здійснювати певні дії, звана роботою, була якось пов'язана з енергією системи. У 1850х роках, професор натурфілософії з Глазго Вільям Томсон та інженер Вільям Ренкін почали роботу по заміні застарілого мови механіки з такими поняттями як "кінетична і фактична (actual) енергії".
Вільям Томсон поєднав знання про енергію до законів термодинаміки, що сприяло стрімкому розвитку хімії. Рудольф Клаузіус, Джозайя Гіббс і Вальтер Нернст пояснили багато хімічні процеси, використовуючи закони термодинаміки. Розвиток термодинаміки було продовжено Клаузіусом, який ввів математично сформулював поняття ентропії, і Джозефом Стефаном, який ввів закон випромінювання абсолютно чорного тіла. У 1853 році Вільям Ренкін ввів поняття "потенційна енергія". У 1881 Вільям Томсон заявив перед слухачами:
Саме слово енергія, хоча і було вперше вжито в сучасному значенні доктором Томасом Юнгом приблизно на початку цього століття, тільки зараз входить до вживання практично після того, як теорія, яка дала визначення енергії,... розвинулася від просто формули математичної динаміки до принципу, що пронизує всю природу і направляє дослідника в галузі науки.
Приблизно протягом наступних тридцяти років ця нова наука мала кілька назв, наприклад динамічна теорія тепла (dynamical theory of heat) або енергетика (energetics). У 1920х роках загальноприйнятим став термін "Термодинаміка", наука про перетворення енергії. Особливості перетворення тепла і роботи були показані в перших двох законах термодинаміки. Наука про енергію розділилася на безліч різних областей, таких як біологічна термодинаміка і термоекономіка (thermoeconomics). Паралельно розвивалися пов'язані поняття, такі як ентропія, міра втрати корисної енергії, потужність, потік енергії за одиницю часу, і так далі. В останні два століття використання слова енергія в ненауковому сенсі широко поширилося в популярній літературі.
У 1918 було доведено, що закон збереження енергії є математичне наслідок трансляційної симетрії часу, величини сполученої енергії. Тобто енергія зберігається, тому що закони фізики не відрізняють різні моменти часу (див. Теорема Нетер, изотропия простору).
У 1961 році видатний викладач фізики і нобелівський лауреат, Річард Фейнман в лекціях так висловився про концепцію енергії:
Існує факт, або, якщо завгодно, закон, що керує всіма явищами природи, всім, що було відомо до сих пір. Винятків із цього закону не існує; наскільки ми знаємо, він абсолютно точний. Назва його - збереження енергії. Він стверджує, що існує певна величина, яка називається енергією, яка не змінюється ні за яких перетвореннях, що відбуваються в природі. Саме це твердження вельми і вельми відвернута. Це по суті математичний принцип, який стверджує, що існує деяка чисельна величина, яка не змінюється ні за яких обставин. Це аж ніяк не опис механізму явища або чогось конкретного, наголошується на тому дивну обставину, що можна підрахувати якесь число і потім спокійно стежити, як природа буде викидати будь-які свої трюки, а потім знову підрахувати це число - і воно залишиться тим самим.
III
. Кінетична енергія
Кінетична енергія - енергія механічної системи, що залежить від швидкостей руху її точок. Часто виділяють кінетичну енергію поступального та обертального руху. Одиниця виміру в системі СІ - Джоуль.
Більш строго, кінетична енергія є різниця між повною енергією системи і її енергією спокою; таким чином, кінетична енергія - частина повної енергії, обумовлена рухом.
Рухоме тіло має кінетичної енергією. Кінетична енергія тіла дорівнює роботі всіх сил, під дією яких тіло розганяється зі стану спокою.
Кінетична енергія матеріальної точки:
K = m * v ^ 2/2
m - маса тіла
М - швидкість його центру мас
У загальному випадку, кінетична енергія тіла - фізична величина, зміна якої дорівнює роботі всіх діючих на тіло - внутрішніх і зовнішніх - сил:
Звідси випливає, що енергія вимірюється в тих же одиницях, що і робота, - в джоулях.
Визначення роботи як зміни кінетичної енергії рухомого тіла може бути використано й у тому випадку, коли діють на тіло сили непостійні. Крім того, воно дозволяє зрозуміти, чому при криволінійному русі з постійною за модулем швидкістю робота не здійснюється: при такому русі не змінюється кінетична енергія.
Спостереження показують, що за певних умов робота може бути здійснена будь-яким тілом. Наприклад, стисла або розтягнута пружина, діюча силою пружності на прикріплене до неї тіло, переміщує його і при цьому здійснює механічну роботу. Може здійснювати роботу і будь-яке рухоме тіло. Стикаючись з іншим тілом, воно діє на нього силою і може викликати переміщення цього тіла або його частин (деформацію). При цьому теж відбувається механічна робота.
Про тіла, які можуть здійснювати роботу, говорять, що вони мають енергію. Енергією називають скалярну фізичну величину, яка показує, яку роботу може зробити тіло. Енергія дорівнює тій максимальній роботі, яку тіло може зробити в даних умовах. Механічна робота є мірою зміни енергії в різних процесах. Тому енергію і роботу виражають в одних і тих же одиницях (в СІ - в джоулях). У більш загальному сенсі енергія - це єдина міра різних форм руху матерії, а також міра переходу руху матерії з однієї форми в іншу. Для характеристики конкретних форм руху матерії використовують поняття про відповідні види енергії: механічної, внутрішньої, електромагнітної і т.д. Механічна енергія є характеристикою руху та взаємодії тіл. Вона залежить від швидкостей і взаємного розташування тіл.
1.
Співвідношення кінетичної і внутрішньої енергії.
Кінетична енергія залежить від того, з яких позицій розглядається система. Якщо розглядати макроскопічний об'єкт (наприклад, тверде тіло видимих розмірів), то тіло нерухомо як єдине ціле, і такі форми енергії, як тепло, розглядаються як внутрішня енергія. Кінетична енергія в цьому випадку з'являється лише тоді, коли тіло рухається як ціле. Те ж тіло, що розглядається з мікроскопічної точки зору, складається з атомів, молекул, і внутрішня теплова енергія обумовлена рухом атомів і молекул і розглядається як наслідок броунівського руху, а температура тіла відрізняється від кінетичної енергії такого руху лише на постійний коефіцієнт - постійну Больцмана характерістікой руху та взаємодії тіл. Вона залежить від швидкостей і взаємного розташування тіл.
2. "
Постійна" Людвіга Больцмана.
Людвіг Больцман - один з творців молекулярно-кінетичної теорії газів, на якій грунтується сучасна картина взаємозв'язку між рухом атомів і молекул з одного боку і макроскопічними властивостями матерії, такими як температура і тиск, з іншого. У рамках такої картини тиск газу обумовлене пружними ударами молекул газу об стінки судини, а температура - швидкістю руху молекул (а точніше, їх кінетичної енергією). Чим швидше рухаються молекули, тим вища температура.
Постійна Больцмана дає можливість прямо зв'язати характеристики мікросвіту з характеристиками макросвіту - зокрема, з показаннями термометра. Ось ключова формула, що встановлює це співвідношення:
1/2 mv2 = kT
де m і v - відповідно маса і середня швидкість руху молекул газу, Т - температура газу (за абсолютною шкалою Кельвіна), а k - постійна Больцмана. Це рівняння прокладає місток між двома світами, пов'язуючи характеристики атомного рівня (у лівій частині) з об'ємними властивостями (у правій частині), які можна виміряти за допомогою людських приладів, в даному випадку термометрів. Цю зв'язок забезпечує постійна Больцмана k, рівна 1,38 x 10-23 Дж / К.
Розділ фізики, що вивчає зв'язки між явищами мікросвіту і макросвіту, називається статистична механіка. У цьому розділі навряд чи знайдеться рівняння або формула, в яких не фігурувала б постійна Больцмана. Одне з таких співвідношень було виведено самим австрійцем, і називається воно просто рівняння Больцмана:
S = k log p b
де S - ентропія системи (див. Другий закон термодинаміки), p - так званий статистичний вага (дуже важливий елемент статистичного підходу), а b - ще одна константа.
Все життя Людвіг Больцман в буквальному сенсі випереджав свій час, розробляючи основи сучасної атомної теорії будови матерії, вступаючи в запеклі суперечки з переважною більшістю консервативним сучасного йому наукового співтовариства, який вважав атоми лише умовністю, зручною для розрахунків, але не об'єктами реального світу. Коли його статистичний підхід не зустрів ні найменшого розуміння навіть після появи спеціальної теорії відносності, Больцман в хвилину глибокої депресії покінчив з собою. Рівняння Больцмана висічене на його надгробному пам'ятнику.
3. Зв'язок між внутрішньою енергією тіла, кінетичної і потенційної енергіями.
Внутрішня енергія тіла (позначається як E або U) - повна енергія цього тіла за вирахуванням кінетичної енергії тіла як цілого і потенціальної енергії тіла в зовнішньому полі сил. Отже, внутрішня енергія складається з кінетичної енергії хаотичного руху молекул, потенційної енергії взаємодії між ними і внутрішньомолекулярної енергії.
Внутрішня енергія є однозначною функцією стану системи. Це означає, що кожного разу, коли система опиняється в даному стані, її внутрішня енергія приймає властиве цьому стану значення, незалежно від передісторії системи. Отже, зміна внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший буде завжди дорівнює різниці між її значеннями в кінцевому і початковому станах, незалежно від шляху, по якому здійснювався перехід.
Потенційна енергія - скалярна фізична величина, що характеризує здатність якогось тіла (або матеріальної точки) здійснювати роботу за рахунок його знаходження в полі дії сил. Інше визначення: потенційна енергія - це функція координат, яка є складовою в лагранжіане системи, і описує взаємодію елементів системи. Термін "потенційна енергія" був введений в XIX столітті шотландським інженером і фізиком Вільямом Ренкіна. Одиницею виміру енергії в СІ є Джоуль.
Потенційна енергія приймається рівною нулю для деякої конфігурації тіл у просторі, вибір якої визначається зручністю подальших обчислень. Процес вибору даної конфігурації називається нормуваннями потенційної енергії.
Коректне визначення потенційної енергії може бути дано тільки в полі сил, робота яких залежить тільки від початкового і кінцевого положення тіла, але не від траєкторії його переміщення. Такі сили називаються консервативними.
Також потенційна енергія є характеристикою взаємодії кількох тіл або тіла й поля.
Будь-яка фізична система прагне до стану з найменшою потенційною енергією.
Потенційна енергія пружної деформації характеризує взаємодію між собою частин тіла.
Потенційна енергія в полі тяжіння Землі поблизу поверхні наближено виражається формулою:
Ep = mgh,
де Ep - потенційна енергія тіла, m - маса тіла, g - прискорення вільного падіння, h - висота положення центру мас тіла над довільно обраним нульовим рівнем.
1
. Про фізичн
ий сенс поняття потенційн
а енергі
я.
Якщо кінетична енергія може бути визначена для одного окремого тіла, то потенційна енергія завжди характеризує як мінімум два тіла або положення тіла у зовнішньому полі.
Кінетична енергія характеризується швидкістю; потенційна - взаєморозташуванням тел.
Основний фізичний сенс має не саме значення потенційної енергії, а її зміна.
2. Робота і потенційна енергія.
1) З поняттям енергії ви познайомилися в курсі фізики 7 класу. Згадаймо його. Припустимо, що деяке тіло, наприклад візок, з'їжджає з похилій площині і пересуває лежить біля її основи брусок. Кажуть, що візок здійснює роботу. Дійсно, вона діє на брусок з деякою силою пружності і брусок при цьому переміщається.
Інший приклад. Водій автомобіля, що рухається з деякою швидкістю, натискає на гальмо, і автомобіль через якийсь час зупиняється. У цьому випадку також автомобіль здійснює роботу проти сили тертя.
Кажуть, що якщо тіло може зробити роботу, то воно має енергію.
Енергію позначають буквою E. Одиниця енергії в СІ - джоуль (1 Дж).
2) Розрізняють два види механічної енергії - потенційна та кінетична.
Потенційною енергією називають енергію взаємодії тіл або частин тіла, що залежить від їх взаємного положення.
Потенційною енергією володіють всі взаємодіючі тіла. Так, будь-яке тіло взаємодіє із Землею, отже, тіло і Земля володіють потенційною енергією. Частинки, з яких складаються тіла, теж взаємодіють між собою, і вони також мають потенційну енергією.
Оскільки потенційна енергія - це енергія взаємодії, то вона відноситься не до одного тіла, а до системи взаємодіючих тіл. У тому випадку, коли ми говоримо про потенційної енергії тіла, піднятого над Землею, систему складають Земля і підняте над нею тіло.
3) З'ясуємо, чому дорівнює потенційна енергія тіла, піднятого над Землею. Для цього знайдемо зв'язок між роботою сили тяжіння і зміною потенційної енергії тіла.
Нехай тіло масою m падає з висоти h1 до висоти h2. При цьому переміщення тіла одно h = h1 - h2. Робота сили тяжіння на цій ділянці буде дорівнює:
A = Fтяж
h = mgh = mg (h1 - h2),
або
A = mgh1 - mgh2.
Величина mgh1 = Eп1 характеризує початкове положення тіла і представляє собою його потенційну енергію в початковому положенні, mgh2 = Eп2 - потенційна енергія тіла в кінцевому положенні. Формулу можна переписати таким чином:
A = Eп1 - Eп2 = - (Eп2 - Eп1).
При зміні положення тіла змінюється його потенційна енергія. Таким чином, робота сили тяжіння дорівнює зміні потенціальної енергії тіла, взятому з протилежним знаком.
Знак "мінус" означає, що при падінні тіла сила тяжіння робить позитивну роботу, а потенційна енергія тіла зменшується. Якщо тіло рухається вгору, то сила тяжіння робить негативну роботу, а потенційна енергія тіла при цьому збільшується.
4) При визначенні потенційної енергії тіла необхідно вказувати рівень, щодо якого вона відраховується, званий нульовим рівнем.
Так, потенційна енергія м'яча, що пролітає над волейбольною сіткою, щодо сітки має одне значення, а щодо статі спортзалу - інше. При цьому важливо, що різниця потенціальних енергій тіла в двох точках не залежить від обраного нульового рівня. Це означає, що робота, яка виконується за рахунок потенційної енергії тіла, не залежить від вибору нульового рівня.
Часто за нульовий рівень при визначенні потенційної енергії беруть поверхню Землі. Якщо тіло падає з деякої висоти на поверхню Землі, то робота сили тяжіння дорівнює потенційної енергії:
A = mgh
Отже, потенційна енергія тіла, піднятого на деяку висоту над нульовим рівнем, дорівнює роботі сили тяжіння при падінні тіла з цієї висоти до нульового рівня.
5) Потенційною енергією володіє будь-деформований тіло. При стиску або розтяганні тіла воно деформується, змінюються сили взаємодії між його частинками і виникає сила пружності.
1. Ландау, Л.Д., Ліфшиц, Є.М. Теоретична фізика. - Видання 5-е, стереотипне. - М.: Фізматліт, 2004. - Т.I. Механіка. - 224 с. - ISBN 5-9221-0055-6
2. Володін В., Хазановський П. "Енергія, століття двадцять перше".
3. Велика Радянська Енциклопедія, Вікіпедія.
4. Вайскопф В. Фізика в двадцятому столітті. М., 1977.
|