Поднятое над Землей тело выполняет работу, когда оно движется вниз. При этом изменяется взаимное положение тела и Земли, которые действуют друг на друга.
Физическую величину, которая характеризует способность системы тел (частей тела взаимодействуют), выполнять работу вследствие изменения их взаимного положения, называют потенциальной энергией.
Выясним, чему равна потенциальная энергия поднятого груза. При падении груза сила тяжести выполняет работу A = mgh. Итак, если с нулевым значением потенциальной энергии сопоставить положение груза на поверхности Земли, то потенциальная энергия поднятого груза Wp = mgh.
Когда работу выполняет деформирована пружина, изменяется взаимное положение частиц, из которых состоит пружина, которые действуют друг на друга. Изменение потенциальной энергии измеряется работой, которую может выполнить система тел вследствие изменения взаимного положения этих тел. Если все тела системы вернулись в свое первоначальное положение, потенциальная энергия системы не изменилась. Итак,
Потенциальную энергию можно определить лишь для сил, работа которых во время движения замкнутой траектории равна нулю.
А это условие, как мы уже знаем, удовлетворяют лишь две из рассмотренных в механике силы - сила тяжести и сила упругости. Поэтому для этих сил можно использовать понятие потенциальной энергии. А вот работа силы трения при движении замкнутой траектории всегда отличается от нуля, поэтому для силы трения вычислить потенциальную энергию невозможно.
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории движения тела и определяется только его начальным и конечным положением над поверхностью Земли.
Силы, работа которых не зависит от формы траектории, называются консервативными.
Вопрос к ученикам во время изложения нового материала
1. Когда тело способно выполнять работу?
2. Меняется механическое состояние тела в результате осуществления работы?
3. Зависит значение кинетической энергии от выбора системы отсчета?
4. Меняется кинетическая энергия тела при изменении направления вектора его скорости?
5. Тело падает с определенной высоты. Как меняется его потенциальная энергия?
6. Как изменяется потенциальная энергия пружины:
а) когда ее растягивают?
б) когда ее сжимают?
в) когда она возвращается в недеформированный состояние?
Закрепление изученного материала
1. Тренируемся решать задачи
1. Какая работа должна быть выполнена для остановки поезда массой 1000 т, движущегося со скоростью 108 км / ч?
2. На какую высоту нужно поднять груз массой 5 кг, чтобы потенциальная энергия увеличилась на 40 Дж? На сколько нужно опустить груз, чтобы потенциальная энергия уменьшилась на 100 Дж?
3. Пружина, растянутая на 2 см, когда ее отпустили, сократилось на 1 см. Вычислите работу силы упругости, если жесткость пружины равна 40 Н / м.
4. Длина пружины увеличилась втрое. Во сколько раз увеличилась потенциальная энергия пружины?
2. Контрольные вопросы
1. Как изменяется кинетическая энергия тела, если сила, приложенная к телу, выполняет позитивную работу?
2. Тело бросили вертикально вверх. Какую работу - положительную или отрицательную - выполняет сила тяжести при подъеме тела? во время спуска? Как изменяется кинетическая энергия тела во время подъема и при спуске?
3. Приведите примеры использования потенциальной энергии тел, поднятых над поверхностью Земли.
4. Для расчета кинетической энергии существует единая формула. Почему нет единой формулы для расчета потенциальной энергии?
5. Опишите преобразования энергии, происходящие во время спортивной стрельбе из лука.
Что мы узнали на уроке:
• Способность тела выполнять работу вследствие изменения своего состояния характеризуют физической величиной, которая называется энергией.
• Энергия, которой тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией 2
Теорема о кинетической энергии: работа силы равна изменению кинетической энергии тела.
Физическую величину, характеризующую способность системы взаимодействующих тел (частей тела) выполнять работу вследствие изменения их взаимного положения, называют потенциальной энергией.