Кинетична енергия. Кинетична енергия и нейното изменение - Хипермаркет на знанието Вътрешна енергия на газа

>>Физика 10 клас >>Физика: Кинетична енергия и нейното изменение

Кинетична енергия

Кинетичната енергия е енергията, която тялото притежава поради своето движение.

С прости думи понятието кинетична енергия трябва да означава само енергията, която тялото има при движение. Ако тялото е в покой, тоест изобщо не се движи, тогава кинетичната енергия ще бъде нула.

Кинетичната енергия е равна на работата, която трябва да изразходва, за да доведе тялото от състояние на покой до състояние на движение с определена скорост.

Следователно кинетичната енергия е разликата между общата енергия на системата и нейната енергия на покой. С други думи, кинетичната енергия ще бъде част от общата енергия, която се дължи на движението.

Нека се опитаме да разберем понятието кинетична енергия на тялото. Например, нека вземем движението на шайба върху лед и се опитаме да разберем връзката между количеството кинетична енергия и работата, която трябва да се извърши, за да изведе шайбата от покой и да я задвижи с определена скорост.

Пример

Играч на хокей на леда, удряйки шайбата с пръчката си, й придава скорост и кинетична енергия. Веднага след удара с щеката шайбата започва да се движи много бързо, но постепенно скоростта й намалява и накрая спира напълно. Това означава, че намаляването на скоростта е резултат от силата на триене, възникваща между повърхността и шайбата. Тогава силата на триене ще бъде насочена срещу движението и действията на тази сила са придружени от движение. Тялото използва наличната механична енергия, извършвайки работа срещу силата на триене.

От този пример виждаме, че кинетичната енергия ще бъде енергията, която тялото получава в резултат на своето движение.

Следователно кинетичната енергия на тяло с определена маса ще се движи със скорост, равна на работата, която трябва да бъде извършена от силата, приложена към тялото в покой, за да му се придаде тази скорост:

Кинетичната енергия е енергията на движещо се тяло, която е равна на произведението от масата на тялото на квадрата на неговата скорост, разделено наполовина.

Свойства на кинетичната енергия

Свойствата на кинетичната енергия включват: адитивност, инвариантност по отношение на въртенето на референтната система и запазване.

Свойство като адитивност е кинетичната енергия на механична система, която е съставена от материални точки и ще бъде равна на сумата от кинетичните енергии на всички материални точки, които са включени в тази система.

Свойството за инвариантност по отношение на въртенето на отправната система означава, че кинетичната енергия не зависи от позицията на точката и посоката на нейната скорост. Зависимостта му се простира само от модула или от квадрата на неговата скорост.

Свойството за запазване означава, че кинетичната енергия не се променя изобщо по време на взаимодействия, които променят само механичните характеристики на системата.

Това свойство е непроменено по отношение на Галилеевите трансформации. Свойствата за запазване на кинетичната енергия и вторият закон на Нютон ще бъдат напълно достатъчни за извеждане на математическата формула за кинетичната енергия.

Връзка между кинетична и вътрешна енергия

Но има такава интересна дилема като факта, че кинетичната енергия може да зависи от позицията, от която се разглежда тази система. Ако например вземем обект, който може да се види само под микроскоп, тогава като цяло това тяло е неподвижно, въпреки че съществува и вътрешна енергия. При такива условия кинетичната енергия се появява само когато това тяло се движи като едно цяло.

Същото тяло, погледнато на микроскопично ниво, има вътрешна енергия, дължаща се на движението на атомите и молекулите, от които се състои. А абсолютната температура на такова тяло ще бъде пропорционална на средната кинетична енергия на такова движение на атоми и молекули.

Какво общо имат „условията за преобразуване на един вид енергия в друг“ и „запазването на законите във времето“?

Има такава теорема на Ньотер. Това е в математиката, дори не във физиката, строго погледнато. Тя казва, че ако определена система от уравнения има някакъв вид симетрия, тогава ще има и нещо, което не се променя по време на трансформации в рамките на тази симетрия.

Е, ако нещо не се промени, значи е „запазено“. Всички физически "закони за запазване" на нещо са следствие от една или друга симетрия на физическите уравнения.

Законът за запазване на енергията е само един от многото физически закони за запазване, някои от които също знаете (например законът за запазване на импулса, законът за запазване на ъгловия момент, законът за запазване на електрическия заряд). И всеки от физическите закони за запазване отразява една от симетриите на физическите уравнения.

Например паралелният транспорт в пространството не променя физическите закони и формата на физическите уравнения, които отразяват тези закони. Следствие от този факт е запазването на импулса на всяка затворена система. И ако физическите закони и уравненията, които ги описват, се променят по време на такова прехвърляне, ние не бихме запазили общия импулс.

Подобно е положението и с трансфера на време. Тъй като и докато физическите закони не се променят с времето, общата енергия на затворена система не се променя. Съответно, фактът на неизменността на физическите закони „позволява“ отделните „видове енергия“ да се променят само по такъв начин, че общата (общата) енергия на затворена система да се запази. Съответно увеличаването на един вид енергия, волю или неволю, ВИНАГИ е придружено от намаляване на друг, така че количеството не се променя. И ако общата енергия на една затворена система започне да се променя с времето, тогава физическите закони са започнали да се променят. Досега подобно явление не е регистрирано, но кой знае какво се е случило например в момента на възникване на нашата Вселена? Или какво ще се случи след милиарди години.

Така ГЛОБАЛНО запазването на енергията е синоним (следствие, еквивалент) на постоянството на физичните закони във времето. Условието за запазване е универсалната първопричина за прехода на един „вид енергия“ към друг. Тъй като сборът не се променя, тогава членовете могат да се променят само за сметка един на друг. Е, по-специфичните физически механизми на изпълнение ще бъдат различни в различните случаи.

Със запазването на импулса и други закони за запазване, това е точно същата история.

Ясно е, че електроните и техните компоненти участват пряко в преобразуването на енергия, но какво точно се случва?

Атом или група от взаимодействащи атоми имат определени енергийни нива, съответстващи на тяхното стабилно състояние. По-точно, тези нива съответстват не толкова на състоянието на атома или атомите като цяло, а на състоянието на неговите/техните електрони.

Откъде идват тези енергийни нива и съответните им състояния? Състоянията са стационарни решения на уравненията на квантовата механика, а енергийното ниво е характерно число (или, ако желаете, параметър на системата), при което може да се намери стационарно решение. Един атом или система от атоми може да има друга енергия само за много кратко време (състоянието не е стационарно) и със сигурност ще премине в едно от стационарните състояния.

Сега разгледайте ситуация, при която 1) два атома са били далеч един от друг и 2) са били много близо. Във втория случай електрическите полета на заредените ядра ще се припокриват. Електроните в такова съвместно поле ще имат различни стационарни състояния, отколкото в ситуацията на два атома, отдалечени един от друг. И други състояния имат други (свои) енергии.

Сега сравняваме най-ниските стойности на стационарните енергийни нива в първия и втория случай. Ако във втория енергията е по-ниска, тогава е „изгодно“ за атомите да се обединят в молекула и да излъчат излишната енергия (тогава излъченият фотон ще отлети някъде далеч или, обратно, ще взаимодейства многократно, повторно излъчен с други атоми и неговата енергия ще се превърне в кинетичната енергия на хаотичното движение на атомите, тоест в топлина). Тук имате образуването на двуатомна молекула с освобождаване на енергия по време на химическа реакция.

В обратния случай минималната вътрешна енергия на молекулата е по-висока от сумата от минималните енергии на двата атома. Могат ли такива атоми да образуват молекула? Да, ако първо получат отнякъде разлика в енергията. Например, един атом може да има не най-ниската възможна енергия, а по-висока. Защо? Е, той погълна фотон, но нямаше време да го излъчи обратно. Или се е сблъскал с друг атом и е бил възбуден поради енергията на сблъсъка (кинетичната енергия на топлинното зрение се е превърнала във вътрешната енергия на атома и все още не е излъчена). И тъй като енергията на един от атомите не е минимална, тогава може да е „изгодно“ да се създаде молекула и да „падне“ на нейната минимална енергия. Ето пример за химическа реакция с поглъщане на енергия: нещо възбужда атом, като изразходва енергията си и само поради това атомът е успял да реагира със своя съсед. И енергията, погълната преди реакцията, остава вътре в молекулата. Тази вътрешна енергия ще се освободи едва след разрушаването на молекулата.

И само електроните участват в това?

Електрони и електрически полета на ядрата, с които електроните взаимодействат. Всяка химическа реакция е промяна в състоянието на електронните черупки.

Защо не участват ядрата? Защото ядрата са несравнимо по-тежки от електроните. Слънцето също трудно ще реагира на приближаването или разстоянието на Земята - твърде е тежко, за да потрепне забележимо поради такава дреболия. Така че атомните ядра не обръщат много внимание на това, което се случва с техните електрони

Самите ядра също не се разпадат поради електрическото поле на електроните. Вътрешните сили, които задържат кварките в ядрото, са несравнимо по-мощни от електрическите полета в атома.

Поради тази причина квантовата механика решава проблема с управлението на електроните в полето на ядрата, но не се интересува от поведението на ядрата в полето на електроните - това е толкова малка корекция, че не може да бъде измерена. Съответно, цялата химия е поведението на електронните обвивки в полетата на едно или няколко ядра. А що се отнася до поведението на самото ядро, няма време за химия.

Потенциалната и кинетичната енергия позволяват да се характеризира състоянието на всяко тяло. Ако първият се използва в системи от взаимодействащи обекти, тогава вторият е свързан с тяхното движение. Тези видове енергия обикновено се разглеждат, когато силата, свързваща телата, не зависи от траекторията на движение. В този случай са важни само началната и крайната им позиция.

Обща информация и концепции

Кинетичната енергия на системата е една от най-важните й характеристики. Физиците разграничават два вида такава енергия в зависимост от вида на движението:

прогресивен;

Ротации.

Кинетичната енергия (E k) е разликата между общата енергия на системата и енергията на покой. Въз основа на това можем да кажем, че се причинява от движението на системата. Тялото го има само когато се движи. Когато обектът е в покой, той е равен на нула. Кинетичната енергия на всяко тяло зависи единствено от скоростта на движение и техните маси. Общата енергия на една система е в пряка зависимост от скоростта на нейните обекти и разстоянието между тях.

Основни формули

В случай, че някаква сила (F) действа върху тялото в покой, така че то да започне да се движи, можем да говорим за извършване на работа dA. В този случай стойността на тази енергия dE ще бъде по-висока, колкото повече работа се извършва. В този случай е вярно следното равенство: dA = dE.

Като вземем предвид пътя, изминат от тялото (dR) и неговата скорост (dU), можем да използваме 2-ри закон на Нютон, въз основа на който: F = (dU/dE)*m.

Горният закон се използва само когато има инерционна референтна система. Има още един важен нюанс, който се взема предвид при изчисленията. Енергийната стойност се влияе от избора на система. И така, според системата SI, тя се измерва в джаули (J). Кинетичната енергия на тялото се характеризира с масата m, както и скоростта на движение υ. В този случай ще бъде: E k = ((υ*υ)*m)/2.

Въз основа на горната формула можем да заключим, че кинетичната енергия се определя от масата и скоростта. С други думи, той представлява функция на движението на тялото.

Енергия в механична система

Кинетичната енергия представлява механична енергиясистеми. Зависи от скоростта на движение на точките му. Тази енергия на всяка материална точка се представя със следната формула: E = 1/2mυ 2, където m е масата на точката, а υ е нейната скорост.

Кинетичната енергия на една механична система е аритметична сума от същите енергии на всички нейни точки. Може да се изрази и със следната формула: E k = 1/2Mυ c2 + Ec, където υc е скоростта на центъра на масата, M е масата на системата, Ec е кинетичната енергия на системата при движение около центъра на масата.

Енергия на твърдото тяло

Кинетичната енергия на тяло, което се движи постъпателно, се определя като същата енергия на точка с маса, равна на масата на цялото тяло. За изчисляване на индикатори при движение се използват по-сложни формули. Промяната на тази енергия на системата в момента на нейното движение от едно положение в друго става под въздействието на приложени вътрешни и външни сили. Тя е равна на сумата от работата Aue и A"u на тези сили по време на това движение: E2 - E1 = ∑u Aue + ∑u A"u.

Това равенство отразява теорема относно промяната в кинетичната енергия. С негова помощ се решават различни механични проблеми. Без тази формула е невъзможно да се решат редица важни проблеми.

Кинетична енергия при високи скорости

Ако скоростта на тялото е близка до скоростта на светлината, кинетичната енергия на материалната точка може да се изчисли по следната формула:

E = m0c2/√1-υ2/c2 - m0c2,

където c е скоростта на светлината във вакуум, m0 е масата на точката, m0с2 е енергията на точката. При ниска скорост (υ

Енергия по време на въртене на системата

При въртене на тяло около ос всеки негов елементарен обем с маса (mi) описва окръжност с радиус ri. В този момент обемът има линейна скорост υi. Тъй като разглеждаме твърдо тяло, ъглова скоростротацията на всички обеми ще бъде еднаква: ω = υ1/r1 = υ2/r2 = … = υn/rn (1).

Кинетичната енергия на въртене на твърдо тяло е сумата от всички същите енергии на неговите елементарни обеми: E = m1υ1 2/2 + miυi 2/2 + … + mnυn 2/2 (2).

Използвайки израз (1), получаваме формулата: E = Jz ω 2/2, където Jz е инерционният момент на тялото около оста Z.

Когато сравняваме всички формули, става ясно, че инерционният момент е мярка за инерцията на тялото по време на въртеливо движение.Формула (2) е подходяща за обекти, въртящи се около фиксирана ос.

Плоско движение на тялото

Кинетичната енергия на тяло, движещо се надолу по равнина, е сумата от ротационната енергия и движение напред: E = mυc2/2 + Jz ω 2/2, където m е масата на движещото се тяло, Jz е инерционният момент на тялото около оста, υc е скоростта на центъра на масата, ω е ъгловата скорост .

Промяна на енергията в механична система

Промяната в стойността на кинетичната енергия е тясно свързана с потенциалната енергия. Същността на това явление може да бъде разбрана благодарение на закона за запазване на енергията в системата. Сумата от E + dP по време на движението на тялото винаги ще бъде една и съща. Промяната в стойността на E винаги настъпва едновременно с промяната на dP. Така те се трансформират, сякаш преливат един в друг. Това явление може да се открие в почти всички механични системи.

Взаимовръзка на енергиите

Потенциалната и кинетичната енергия са тясно свързани. Тяхната сума може да се представи като общата енергия на системата. На молекулярно ниво е така вътрешна енергиятела. То присъства постоянно, докато има поне някакво взаимодействие между телата и топлинното движение.

Избор на референтна система

За изчисляване на енергийната стойност се избира произволен момент (той се счита за начален момент) и референтна система. Възможно е да се определи точната стойност на потенциалната енергия само в зоната на влияние на сили, които не зависят от траекторията на тялото при извършване на работа. Във физиката тези сили се наричат ​​консервативни. Те имат постоянна връзка със закона за запазване на енергията.

Разликата между потенциална и кинетична енергия

Ако външното влияние е минимално или намалено до нула, изследваната система винаги ще гравитира към състояние, при което нейната потенциална енергия също ще клони към нула. Например топка, хвърлена нагоре, ще достигне границата на тази енергия в горната точка на своята траектория и в същия момент ще започне да пада надолу. По това време енергията, натрупана по време на полета, се превръща в движение (извършена работа). За потенциалната енергия във всеки случай има взаимодействие на поне две тела (в примера с топката й влияе гравитацията на планетата). Кинетичната енергия може да се изчисли индивидуално за всяко движещо се тяло.

Взаимовръзка на различните енергии

Потенциалната и кинетичната енергия се променят изключително по време на взаимодействието на телата, когато силата, действаща върху телата, извършва работа, чиято стойност е различна от нула. В затворена система работата, извършена от силата на гравитацията или еластичността, е равна на промяната в потенциалната енергия на обектите със знака „-“: A = - (Ep2 - Ep1).

Работата, извършена от силата на гравитацията или еластичността, е равна на изменението на енергията: A = Ek2 - Ek1.

От сравнението на двете равенства става ясно, че промяната в енергията на обектите в затворена система е равна на промяната в потенциалната енергия и е противоположна по знак: Ek2 - Ek1 = - (Ep2 - Ep1), или по друг начин: Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

От това равенство става ясно, че сумата от тези две енергии на телата в затворена механична система и взаимодействащите сили на еластичност и гравитация винаги остава постоянна. Въз основа на горното можем да заключим, че в процеса на изучаване на механична система трябва да се вземе предвид взаимодействието на потенциалната и кинетичната енергия.

Думата "енергия" се превежда от гръцки като "действие". Енергичен наричаме човек, който се движи активно, извършвайки много различни действия.

Енергията във физиката

И ако в живота можем да оценим енергията на човек главно чрез последствията от неговите дейности, то във физиката енергията може да бъде измерена и изследвана по много различни начини. Вашият весел приятел или съсед най-вероятно ще откаже да повтори едно и също действие тридесет до петдесет пъти, когато внезапно ви хрумне да изследвате феномена на неговата енергия.

Но във физиката можете да повтаряте почти всеки експеримент колкото пъти пожелаете, като правите изследванията, от които се нуждаете. Така е и с изучаването на енергията. Изследователите са изследвали и етикетирали много видове енергия във физиката. Това са електрическа, магнитна, атомна енергия и т.н. Но сега ще говорим за механична енергия. И по-точно за кинетичната и потенциалната енергия.

Кинетична и потенциална енергия

Механиката изучава движението и взаимодействието на телата едно с друго. Следователно е обичайно да се прави разлика между два вида механична енергия: енергия, дължаща се на движението на телата, или кинетична енергия, и енергия, дължаща се на взаимодействието на телата, или потенциална енергия.

Във физиката има общо правило, свързващо енергията и работата. За да се намери енергията на тялото, е необходимо да се намери работата, която е необходима, за да се преведе тялото в дадено състояние от нула, тоест такова, при което енергията му е нула.

Потенциална енергия

Във физиката потенциалната енергия е енергията, която се определя от относителната позиция на взаимодействащи тела или части от едно и също тяло. Тоест, ако едно тяло е повдигнато над земята, то има способността да извършва някаква работа, докато пада.

И възможната стойност на тази работа ще бъде равна на потенциалната енергия на тялото на височина h. За потенциална енергия формулата се определя по следната схема:

A=Fs=Fт*h=mgh или Ep=mgh,

където Ep е потенциалната енергия на тялото,
m телесно тегло,
h е височината на тялото над земята,
g ускорение на свободното падане.

Освен това всяка удобна за нас позиция може да се приеме за нулева позиция на тялото в зависимост от условията на провежданите експерименти и измервания, а не само от повърхността на Земята. Това може да е повърхността на пода, масата и т.н.

Кинетична енергия

В случай, че тялото се движи под въздействието на сила, то не само може, но и извършва някаква работа. Във физиката кинетичната енергия е енергията, притежавана от тялото поради неговото движение. Когато тялото се движи, то изразходва енергия и извършва работа. За кинетичната енергия формулата се изчислява, както следва:

A = Fs = mas = m * v / t * vt / 2 = (mv^2) / 2, или Eк = (mv^2) / 2,

където Ek е кинетичната енергия на тялото,
m телесно тегло,
v скорост на тялото.

От формулата става ясно, че колкото по-голяма е масата и скоростта на едно тяло, толкова по-голяма е неговата кинетична енергия.

Всяко тяло има или кинетична, или потенциална енергия, или и двете едновременно, като например летящ самолет.