Лабораторная работа № Исследование закона сохранения энергии под действием сил тяжести и упругости - shikardos.ru o_O
Главная
Поиск по ключевым словам:
страница 1
Похожие работы
Название работы Кол-во страниц Размер
Закон сохранения импульса 15 Силы в природе 16 Закон гравитации 16... 1 283.29kb.
Аналитическое построение закрученных вертикальных течений газа в... 1 14.57kb.
Лабораторная работа №1 2 Варианты заданий 2 Пример решения задачи... 4 489.46kb.
Лабораторная работа посвящена моделированию сигнала, содержащего... 1 49.69kb.
Конкурс работников образования 1 151.65kb.
Лабораторная работа №1 Исследование разомкнутой линейной системы... 1 293.29kb.
Лабораторная работа 10. 12 Закон ома для цепи переменного тока инструкция... 1 204.25kb.
Лабораторная работа №04. Определение молекулярной массы и плотности... 1 146.55kb.
Лабораторная работа №5 (фм-15) определение скорости снаряда с помощью... 1 118.09kb.
Лабораторная работа №7 исследование твердотельного лазера на алюмоиттриевом... 1 67.12kb.
Закона №94 от 21 июля 2005 года «О размещении заказов на поставку... 1 238.44kb.
Действия при стихийных бедствиях геологического характера 1 72.35kb.
- 4 1234.94kb.
Лабораторная работа № Исследование закона сохранения энергии под действием сил тяжести - страница №1/1

Лабораторная работа № 4.
Исследование закона сохранения энергии

под действием сил тяжести и упругости

Цель работы: сопоставить изменение потенциальной энергии пружины с изменением потенциальной энергии тела, которое деформировало пружину.

Оборудование: динамометр, груз 100 г (2 шт.), пружина, желоб, стержень штатива с муфтой и лапкой, укладочный пенал.


Теоретическая часть.
Если система тел может совершить работу, то мы говорим, что она обладает энергией.

Для совершения работы необходимо, чтобы на движущееся тело все время действовала та или иная сила. Рассмотрим простые системы движущихся тел, взаимодействующих между собой посредством сил тяготения и способных в той или иной мере деформироваться. (Пружина или резиновый шнур деформируются значительно, а камень, дерево, металл — столь мало, что их деформациями обычно можно пренебречь.) Будем считать, что никаких химических превращений тел не происходит и что в системе нет заряженных тел и электрических токов.

Тогда легко обнаружить, что поднятые над землей грузы, а также устройства, имеющие сжатые пружины, способны действовать на движущееся тело и совершать работу лишь в течение определенного промежутка времени. Рано или поздно пружина распрямится, а груз опустится на землю и силы перестанут совершать работу.

Совершение работы не проходит для системы тел бесследно. Рассмотрим, например, часы с пружинным заводом. При заводе часе состояние системы (часового механизма) меняется так, что она приобретает способность совершать работу в течение длительного времени. Пружина поддерживает движение всех колес, стрелок и маятника, испытывающих сопротивление движению, вызванное трением. По мере хода часов способность пружины совершать работу постепенно утрачивается. Состояние пружины меняется.

Подобным образом при совершении работы меняется состояние сжатого газа и скоростей движущихся тел.

Если тело или система тел могут совершать работу, то говорят, что они обладают энергией.

Совершая механическую работу, тело или система тел переходят из одного состояния в другое, в котором их энергия минимальна. Груз опускается, пружина распрямляется, движущееся тело оста­навливается. При совершении работы энергия постепенно расходуется. Для того чтобы система опять приобрела способность совершать работу, надо изменить ее состояние: увеличить скорости тел, поднять тела вверх или деформировать. Для этого внешние силы должны совершить над системой положительную работу.

Энергия в механике — величина, определяемая состоя системы — положением тел и их скоростями; изменение энергии при переходе системы из одного состояния в другое равно работе внешних сил.

Поскольку в механике изучается движение тел и взаимодействие тел между собой, то принято различать два вида механической энергии:

— кинетическую энергию, обусловленную взаимодействием тела со своим окружением;

— потенциальную энергию, обусловленную взаимодействием тела со своим окружением.

Энергия измеряется в тех же единицах, что и работа, то есть в джоулях (обозначается Дж).
К и н е т и ч е с к а я э н е р г и я
Кинетической энергией называется величина, равная половине произведения массы на квадрат скорости тела.

Будем обозначать кинетическую энергию буквой :



. (1)

Теорема об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии тела (материальной точки) за некоторый промежуток времени равно работе, совершенной за это же время силой, действующей на тело:
. (2)
Движущееся тело обладает кинетической энергией. Эта энергия равна работе, которую надо совершить, чтобы увеличить скорость тела от нуля до значения V.
П о т е н ц и а л ь н а я э н е р г и я
Будем обозначать кинетическую энергию буквой .

Консервативные силы – силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела. Консервативные силы – это силы тяжести и силы упругости. Силы трения не являются консервативными, так как зависят от пути (формы траектории) и не зависят от перемещения.
1. Потенциальная энергия тела, на которое действует сила тяжести.

Физическую величину, рав­ную произведению массы тела на модуль ускорения свободного па­дения и на высоту, на которую поднято тело над поверхностью Земли, называют потенциальной энергией тела.

Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энер­гии тела, взятому с противопо­ложным знаком:
. (3)

Значение потенциальной энер­гии тела, поднятого над Землей, зависит от выбора нулевого уров­ня, т. е. высоты, на которой потенциальная энергия прини­мается равной нулю. Обычно при­нимают, что потенциальная энер­гия тела на поверхности Земли равна нулю.

При таком выборе нулевого уровня потенциальная энергия тела, находящегося на высоте h над поверхностью Земли, равна произведению массы т тела на модуль ускорения свободного падения g и расстояние h его от поверхности Земли:

. (4)

Равенство (4) показывает, что потенциальная энергия тела, на которое действует сила тяже­сти, равна работе, совершаемой силой тяжести при перемещении тела на нулевой уровень.

В отличие от кинетической энергии поступательного движе­ния, которая может иметь лишь положительные значения, потен­циальная энергия тела может быть как положительной, так и отрицательной. Тело массой т, находящееся на глубине h от по­верхности Земли, обладает отри­цательной потенциальной энер­гией:

. (5)
2. Потенциальная энергия упруго деформированного тела.

Фи­зическая величина, равная поло­вине произведения жесткости те­ла на квадрат его деформации, называется потенциальной энер­гией упруго деформированного тела:



. (6)
Работа силы упру­гости равна изменению потенциальной энергии упруго деформи­рованного тела, взятому с проти­воположным знаком:
. (7)
Можно сделать следующие выводы. Потенциальной энергией не может обладать одно тело, не взаимодействующее с другими те­лами. Потенциальная энергия это энергия взаимодействия тел.

Потенциальная энергия под­нятого над Землей тела — это энергия взаимодействия тела и Земли гравитационными силами. Потенциальная энергия упруго деформированного тела — это энергия взаимодействия отдель­ных частей тела между собой си­лами упругости.



З а к о н с о х р а н е н и я э н е р г и и
Система тел, не взаимодействующих с другими телами, не входящими в эту систему, называют замкнутой системой.

Полная механическая энергия системы – сумма её кинетической и потенциальной энергий:



. (8)
Закон сохранения полной механической энергии.

В замкнутой системе, в которой действуют консервативные силы, механическая энергия сохраняется:


. (9)
Энергия не создается и не уничтожается, а только превращается из одной формы в другую: из кинетической в потенциальную или, наоборот, при этом полная энергия остается неизменной.

Если , а , то закон сохранения энергии можно записать так:



(10)

или


. (11)
Это уравнение позволяет очень просто найти скорость камня любой высоте h2 над землей, если известна начальная скорость камня на исходной высоте h1.

Закон сохранения энергии (9) обобщается на случай любого числа тел и любых консервативных сил взаимодействия между ними. Под нужно понимать сумму кинетических энергий всех тел, а под — полную потенциальную энергию системы. Для системы, состоящей из тела массой т и пружины, закон сохранения энергии имеет вид:


. (12)
Закон сохранения энергии имеет более широкую область применимости, чем законы Ньютона. Полная механическая энергия сохраняется и для системы микрочастиц, для которых законы Ньютона неприменимы.

В таблице 1 приведена механическая энергия некоторых физических объектов и явлений.

Таблица 1.

Энергия физических объектов и явлений.


Физический объект, явление

Энергия, Дж

Физический объект, явление

Энергия,

Дж


Молекула воздуха при комнатной температуре

10-21

Атомная бомба

1014

Электрон в атоме

10-18

Ураган

1015

Деление ядра урана

10-11

Водородная бомба 100 МВт

1017

Протон в ускорителе, прыгающая блоха

10-7

Землетрясение (8 баллов по шкале Рихтера)

1018

Клавиша компьютера

10-2

Извержение вулкана

1019

Сердцебиение

0,5

Солнечное излучение, ежегодно попадающее на Землю


1025



Яблоко, падающее с высоты 1 м

1

Горящая спичка

103

Вращение Земли вокруг оси

1029

Стайер после часового бега, взрыв 1 кг тринитротолуола

106

Движение Земли вокруг Солнца

1033

Сгорание 1 л бензина

107

Солнечное излучение за год

1034

Сгорание 1 м3 дров

109

Взрыв сверхновой звезды

1044

Разряд молнии

1010

Излучение радиогалактики

1055

Космическая ракета

1011

Рождение Вселенной

1068


Превращения энергии.

Меха­ническая энергия сохраняется не при любых взаимодействиях тел. Закон сохранения механической энергии не выполняется, если между телами действуют силы трения.

Автомобиль, двигавшийся по горизонтальному участку дороги, после выключения двигателя про­ходит некоторый путь и под дей­ствием сил трения останавливает­ся. Кинетическая энергия посту­пательного движения автомобиля стала равной нулю, а потенциаль­ная энергия не увеличилась. Не означает ли это, что кинетическая энергия автомобиля исчезла бес­следно?

Опыт показывает, что меха­ническое движение никогда не исчезает бесследно и никогда оно не возникает само собой. Во вре­мя торможения автомобиля про­изошло нагревание тормозных колодок, шин автомобиля и асфальта. Следовательно, в результате действия сил трения кинетиче­ская энергия автомобиля не ис­чезла, а превратилась во внутрен­нюю энергию теплового движения молекул.



При любых физических взаи­модействиях энергия не возни­кает и не исчезает, а только пре­вращается из одной формы в дру­гую.

Этот экспериментально уста­новленный факт называется зако­ном сохранения и превращения энергии.



Практическая часть.
Работа важна тем, что, анализируя ее результаты, по­лучаем экспериментальное подтверждение одного из фундаменталь­ных законов физики — закона сохранения энергии. Исходя из это­го, при проведении работы следует особое внимание уделить ка­честву измерений и постараться свести к минимуму влияние фак­торов, снижающих их точность.
1. Соберите экспериментальную установку.

Из укладочного пенала извлекают необходимое для работы оборудование, крышку пенала устанавливают на место. В лапке штатива закрепляют пружину (см. рис. 1). Она должна располагаться вертикально, свободным концом вниз. Же­лоб также закрепляют вертикально внешней шкалой к наблюдате­лю. Расстояние между пружиной и желобом должно быть не бо­лее 1 - 2 сантиметров.


Рис. 1.
При этом верхний конец пружины должен находиться напротив нуля шкалы желоба!





2. Ход работы.

1.) Вначале определите жесткость пружины.

Для этого заметьте положение ее свободного конца относительно шкалы желоба (x1). Занесите значение x1 в таблицу 2. (не забудьте перевести сантиметры в метры). Затем на пружину подвесьте два груза и, после того как колебания прекратят­ся, вновь заметьте положение конца пружины (x2). (Значение x2 занесите в таблицу 2).

Вычислите удлинение пружины по формуле:


x = x2 - x1 (13)
Зная суммарную массу груза m, подвешенного к пружине (масса каждого груза указана на его поверхности), вычисляют силу тяжести, действующую на грузы (Fт = mg).

Согласно второму закону Ньютона:



.

Так как a=0, сила тяжести направлена вверх, а сила упругости вниз, то в проекции будем иметь:



,

или т. к. и , то



mg=kx.
Из последней формулы можем найти жесткость пружины:
. (14)
Таблица 2.


x1,

м

x2,

м

x,

м

Fт,

Н

k,

Н/м

xm i,

м

xm,

м

,

Дж

,

Дж
















1













2




3




4




5




2.) Затем, верхний груз, удерживая рукой, подни­мают, пока пружина вновь не окажется в нерастянутом состо­янии. Затем груз отпускают и замечают величину макси­мального удлинения пружины xm i. Опыт повторяют 5 раз и определяют среднее значение максимально удлинения по формуле:



(15)

Его и используют в дальнейших рас­четах.

По формуле: (16)

вычисляют энер­гию деформированной пружи­ны.


По формуле: (17)

- изме­нение потенциальной энергии грузов.


Найденные значения срав­нивают и делают вывод о сохранении механической энергии в системе: груз, пружина, Земля.
3. Вывод.‌‌‌

Сделайте вывод, удалось ли вам доказать закон сохранения энергии или нет. Если нет, то укажите причины, из-за которых, на ваш взгляд, произошло расхождение результатов определения изменения потенциальной энергии пру­жины и груза.




Вопросы для защиты лабораторной работы.


  1. Назовите виды механической энергии, чем они обусловлены?

  2. Формула для нахождения кинетической энергии.

  3. Формулы для нахождения потенциальной энергии.

  4. Дайте определение консервативных сил.

  5. Дайте определение замкнутой системы.

  6. Сформулируйте закон сохранения полной механической энергии.

  7. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

  8. Законы Ньютона или закон сохранения энергии имет более широкую область применения? Ответ поясните.

Литература



  1. Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб. Пособие для учащихся.—3-е изд.—М.: Просвещение, 1991.—с.:44-51.

  2. Касьянов В. А.. Физика 10 кл.: Учебн. для общеобразоват. учреждений.—6-е изд., стереотип.—М.:Дрофа,2004.—с.:135-145,148-150.

  3. Мякишев Г. Я.. Физика: Учебн. для 10 кл. общеобразоват. учреждений/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, Н. Н. Сотский.—12-е изд.—М.: Просвещение,2004.—с.:113-125.

  4. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред. Проф. Образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев.—2-е изд., стер.—М.: Издательский центр «Академия»,2003-с.:71-76.

5.Справочник школьника. Физика/ Сост. Т. Фещенко, В. Вожегова.–М.: Филологическое общество «СЛОВО», ООО «Фирма» «Издательство АСТ», Центр гуманитарных наук при ф-те журналистики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1998.–с.:128-131.