Кинетическая энергия измеряется: Кинетическая энергия — урок. Физика, 7 класс.
alexxlab | 15.12.1989 | 0 | Разное
Кинетическая энергия в физике – формулы и определения с примерами
Содержание:
Кинетическая энергия:
Иногда значение работы можно найти, не используя понятия силы и перемещения, на основании характеристики изменения энергии тела.
Рассмотрим тело массой m, на которое действует сила F. Направление действия силы совпадает с направлением перемещения. Работа, которую выполняет эта сила,
A = Fs.
Согласно второму закону механики Ньютона значение силы
Как известно, модуль перемещения равен:
Поэтому
Как известно, выражение называется кинетической энергией. Следовательно, для расчета работы достаточно определить только массу тела и его начальную и конечную скорости, т. е. знать изменение кинетической энергии тела. Такой метод удобен, поскольку им можно пользоваться даже в случае переменной силы и произвольной траектории.
Физическая величина, описывающая состояние движущегося тела и изменение которой определяет работу, называется кинетической энергией.
Для измерения энергии, как и работы, используется единица джоуль (Дж), названная в честь английского ученого Д. Джоуля.
Кинетической энергией обладает тело, движущееся в данной системе отсчета с определенной скоростью:
Скорость тела, измеренная в разных системах отсчета, будет иметь разное значение, т. е. она является относительной величиной. Поэтому кинетическая энергия тела постоянной массы тоже величина относительная и в разных системах отсчета имеет разное значение.
Рассмотрим, например, два железнодорожных вагона, массы которых составляют по 2 • кг, движущиеся в одном направлении со скоростями 15 м/с и 10 м/с относительно железнодорожного полотна, причем первый догоняет второго. Их кинетическая энергия соответственно будет:
Если же систему отсчета связать со вторым вагоном, то первый будет двигаться со скоростью 5 м/с , а второй – со скоростью v = 0. В этом случае
Следовательно, при расчетах в разных инерциальных системах отсчета следует учитывать, что кинетическая энергия в случае перехода из одной системы в другую будет изменяться.
Кинетическая энергия (от греческого слова кинетикос – тот, что приводит в движение) – это энергия, которой тело обладает вследствие собственного движения.
Кинетической энергией обладает ветер, её используют для сообщения движения ветряным двигателям. Движущиеся массы воздуха оказывают давление на наклонные плоскости крыльев ветряных двигателей и заставляют их вращаться. На рисунке 175, а изображена ветряная мельница, в которой за счёт энергии ветра мелют зерно. Современные довольно мощные ветряные двигатели (рис. 175, б) используют для того, чтобы вырабатывать электроэнергию, качать из скважин воду и подавать её в водонапорные башни.
Движущаяся вода или нагретый пар, вращая турбины электростанции, теряет часть своей кинетической энергии и выполняет работу. Самолёт, летящий высоко в небе, кроме потенциальной обладает и кинетическуй энергией. Если тело находится в состоянии покоя, т. е. его скорость относительно Земли равна нулю, то и его кинетическая энергия относительно Земли будет равна нулю.
Опытами установлено, что чем больше масса тела и скорость, с которой оно движется, тем больше его кинетическая энергия. Выявленная зависимость математически выражается такой формулой:
где — кинетическая энергия тела; — масса тела; — скорость движения тела.
Определение кинетической энергииНаблюдения явлений природы показывают, что работа может выполняться при движении тел. Так, движущийся тепловоз, стыкуясь с вагоном, перемещает его на некоторое расстояние. Выполняется работа и в том случае, когда брошенный камень разбивает лед. Выстреленная из ружья пуля пробивает доску и т. п. Если потенциальной энергией обладают тела, на которые действует сила, то в упомянутых выше случаях работа выполняется потому, что они осуществляли перемещение, двигались.
Какой энергией обладают движущиеся телаЭнергию движущегося тела называют кинетической энергией.
Кинетическая энергия является физической величиной ее значение можно рассчитывать. Для этого необходимо знать, от каких физических величин она зависит.
Как рассчитывают кинетическую энергиюПоставим желоб под некоторым углом к поверхности стола. На некотором расстоянии от его нижнего конца поставим брусок. На средней части желоба разместим маленький стальной шарик и отпустим его. Скатившись по желобу, шарик ударится о брусок и переместит его на некоторое расстояние. Отметим расстояние, на которое сместился брусок.
Поместим шарик в верхней части желоба и отпустим его. В этом случае, скатившись желобом к основе, шарик приобрел большую скорость, чем раньше. Ударившись в брусок, он переместит его на большее расстояние, чем в предыдущем опыте, соответственно выполнив большую работу.
Таким образом, кинетическая энергия тела зависит от его скорости. Эта зависимость нелинейная, что заметно на графике зависимости кинетической энергии тела от его скорости. График имеет вид кривой линии (рис. 126).
Кинетическая энергия тела относительнаКак известно, скорость тела является относительной величиной и зависит от выбора тела отсчета. Поэтому и кинетическая энергия является величиной относительной. Если артиллерийский снаряд, попав в стену, причиняет значительные разрушения, то снаряд, посланный вдогонку сверхзвуковому самолету, не причинит ему существенных повреждений, поскольку скорость снаряда относительно самолета будет небольшой.
Последствия столкновения автомобилей в случае их движения навстречу друг другу будут всегда более ощутимы, чем тогда, когда один автомобиль догоняет другой.
Кинетическая энергия зависит и от массы тела. Если повторим предыдущие опыты с шариком большей массы, то увидим, что перемещения бруска в этом случае будет большим. Эта зависимость линейная, поэтому можно сказать, что кинетическая энергия тела пропорциональна его массе (рис. 127).
Как рассчитать кинетическую энергиюЧтобы рассчитать кинетическую энергию, используют формулу:
где — масса тела; — скорость тела.
Кинетическая энергия разных физических тел используется для выполнения механической работы.
Так, опытные водители автомобилей время от времени отсоединяют двигатель от колес, выключая сцепление, и этим экономят топливо. Работа по преодолению сил трения выполняется за счет кинетической энергии автомобиля. Конструкторы работают над моделью городского автобуса, который начинает движение за счет энергии раскрученного во время стоянки большого маховика. Это дает возможность существенно уменьшить выбросы вредных газов в атмосферу и экономить топливо.В южных областях Украины, в частности на Крымском полуострове, используют ветряные электростанции, которые работают за счет кинетической энергии потоков воздуха — ветра (рис. 128).
- Заказать решение задач по физике
Рассмотрим движение тела массой т под действием нескольких сил, например движение санок (см. рис. 124). Предположим также, что сила натяжения веревок постоянна, а следовательно, постоянной будет и результирующая сила . Она совпадает по направлению с перемещением тела или противоположна ему.
Рассмотрим случай, когда проекция результирующей силы на направление движения положительна, т. е. санки движутся равноускоренно с ускорением а, которое находится из второго закона Ньютона:
(1)
Работа результирующей силы:
A = Fp△r, (2)
где △r— модуль перемещения тела за некоторый промежуток времени. Подставим выражение (1) в (2). В результате получим:
A = ma△r. (3)
При равноускоренном одномерном движении модуль перемещения △r и изменение скорости связаны соотношением:
(4)
где и — начальная и конечная скорости тела, которое совершило перемещение △r с ускорением а.
Соотношение (3) с учетом (4) примет вид:
(5)
Полученная формула связывает работу результирующей силы, действующей на тело, с изменением величины . Эта величина называется кинетической энергией тела и обычно обозначается К.
Кинетическая энергия тела — это энергия движения. Она равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости:
(6)
Тогда формула (5) примет вид:
(7)
Итак, работа результирующей силы, действующей на тело, равна изменению кинетической энергии тела. Как вы уже знаете, изменение какой-то величины равно разности конечного значения и начального. Из формулы (7) очевидно следует, что кинетическая энергия выражается в тех же единицах, что и работа, т. е. в СИ в джоулях.
Когда результирующая сила действует по направлению движения тела и, следовательно, совершает положительную работу, то
Итак, любое движущееся тело (рис. 127, 128) обладает кинетической энергией. Поскольку скорость тела зависит от выбора инерциальной системы отсчета, то и кинетическая энергия также зависит от выбора системы отсчета. Очевидно, что, как и работа, кинетическая энергия является скалярной физической величиной. Она не зависит от направления движения тела, а определяется его массой и квадратом скорости.
Главные выводы:
- Кинетическая энергия тела — это энергия движения. Она равна половине произведения массы тела на квадрат его скорости и зависит от выбора системы отсчета.
- Изменение кинетической энергии равно работе всех сил, действующих на тело.
- Кинетическая энергия измеряется в тех же единицах, что и работа.
Глава 26. Элементы квантовой физики и специальной теории относительности. Атомная и ядерная физика
В программу ЕГЭ по физике входит достаточно большой круг вопросов по атомной и ядерной физике, фотоэлектрическому эффекту, основам специальной теории относительности. Тем не менее, эти вопросы касаются, в основном, только фактического материала, не требуют его глубокого осмысления и поэтому их достаточно легко выучить. Кратко рассмотрим этот материал.
Фотоэлектрическим эффектом (или просто фотоэффектом) называют явление испускания электронов поверхностью металла под действием света. Экспериментально было установлено, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов пропорциональна частоте и не зависит от интенсивности излучения. При частоте света, меньшей некоторого значения (которое называется красной границей фотоэффекта и является характеристикой каждого металла), фотоэффект прекращается. От интенсивности излучения зависит число электронов, испускаемых поверхностью металла в единицу времени, но не их энергия.
Впервые фотоэффект изучали с помощью вакуумного фотоэлемента или вакуумного фотодиода, который представляет собой стеклянный баллон с откачанным из него воздухом и впаянными электродами. Фотодиод включается в электрическую цепь, как показано на рисунке. Естественно, в цепи нет электрического тока, поскольку в баллоне нет свободных носителей электрического заряда. Однако когда электрод, соединенный с отрицательным полюсом источника (катод) освещается светом, в цепи возникает электрический ток, что свидетельствует о появлении между катодом и анодом свободных зарядов. По величине тока в цепи (фототока) можно сделать вывод о количестве вырванных с поверхности катода зарядов. Если же поменять полярность источника, то приложенное напряжение будет тормозить фотоэлектроны. Напряжение, при котором фототок в цепи прекращается, называется задерживающим (или запирающим). Очевидно, что фототок в цепи полностью прекращается, когда максимальная кинетическая энергия электронов становится меньше модуля работы электрического поля, совершаемой над электронами между катодом и анодом
(26. 1) |
где — масса электрона, — элементарный заряд, — задерживающее напряжение. Таким образом, измеряя задерживающее напряжение, можно измерить максимальную кинетическую энергию электронов.
Для объяснения фотоэффекта А. Эйнштейн предположил, что свет представляет собой поток частиц — фотонов, движущихся со скоростью света. Каждый из них обладает энергией, зависящей от частоты (или длины волны) света
(26.2) |
и импульсом
(26.3) |
Фотон, как и любая частица, может поглощаться или излучаться только как единое целое. В формулах (26.2)-(26.3) Дж • с — постоянная, которая называется постоянной Планка, — скорость света в вакууме, — частота света, — длина волны. Поглощая один фотон, свободный электрон в металле увеличивает свою энергию на величину (26.2) и может вылететь с поверхности металла, если его новая энергия достаточна для этого, т. е. превосходит работу , которую необходимо совершить, чтобы покинуть металл. Эта работа называется работой выхода электрона из металла и является характеристикой каждого металла. В результате закон сохранения энергии дает для кинетической энергии вылетевшего электрона
(26.4) |
В формуле (26.4) пренебрегается начальной энергией электрона. Кроме того, возможны дополнительные потери энергии, связанные со столкновениями с другими электронами, поэтому формула (26.4) определяет максимальную кинетическую энергию электронов. Формула (26.4) называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Из уравнения Эйнштейна (26.4) следует, что энергия фотоэлектронов зависит от частоты света, но не зависит от его интенсивности, которая определяется количеством фотонов в световом потоке. От интенсивности света зависит количество фотоэлектронов, поскольку, чем больше фотонов падает на металл, тем большее количество электронов покидает поверхность металла. Из уравнения (26.4) также следует, что при частоте света , где
(26.5) |
(или при длине волны , где ) фотоэффект не имеет место. Поскольку для большинства металлов эта частота лежит в области красного света, ее назвали красной границей фотоэффекта.
Рассмотрим теперь вопросы, связанные со строением атома. Атомы состоят из частиц трех типов: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны имеют близкие массы, и входят в состав атомного ядра — очень маленького образования, расположенного внутриатома1. Протоны имеют положительный заряд, нейтроны не заряжены. Поэтому и атомное ядро заряжено положительным электрическим зарядом. Электроны — отрицательно заряженные элементарные частицы — движутся по определенным орбитам вокруг атомного ядра. Количество электронов в атоме равно количеству протонов, а поскольку заряды этих частиц равны по величине, то атомы в целом не заряжены. Поскольку масса протона и нейтрона примерно в 2000 раз больше массы электрона, то практически вся масса атома сосредоточена в атомном ядре.
Атомы обозначаются следующим образом. Во-первых, указывается химический символ элемента, например, (водород), (гелий), (кислород), (железо), (свинец) и т.д. Во-вторых, перед символом элемента в виде нижнего индекса указывают количество электронов (или протонов) в данном атоме. Например, , , , , и т.д. Поскольку количество электронов в атоме (или количество протонов) полностью определяет его химические свойства, атомы, имеющие разное количество электронов (и протонов) — это атомы разных химических элементов. Поэтому нижний индекс и символ химического элемента однозначно связаны друг с другом. Слева вверху от символа химического элемента указывается суммарное число протонов (или электронов) и нейтронов в ядре этого атома. Например, символ
обозначает атом урана, содержащий 92 электрона и 238 протонов и нейтронов в ядре, из которых 92 протона и 146 = 238 – 92 нейтронов. Существуют атомы, которые имеют одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов. Такие атомы имеют близкие химические свойства и потому относятся к одному и тому же химическому элементу. Они называются изотопами. Например, изотопами являются атомы свинца , , , , в состав которых входят соответственно 124, 125, 126 и 127 нейтронов.
Электроны в атоме могут совершать переходы с одних орбит на другие с излучением или поглощением фотона. Такое излучение имеет место, в частности, при нагревании парóв любого химического элемента до высокой температуры. При переходе электрона из состояния с энергией в состояние с меньшей энергией , электрон излучает фотон с частотой , которая определяется соотношением
(26.6) |
где — постоянная Планка. Для перехода на орбиту с большей энергией электрон должен поглотить фотон с энергией, равной разности энергий конечной и начальной орбит. А поскольку в каждом атоме существует только небольшое количество электронных орбит с определенными энергиями, атом каждого вещества излучает свет с небольшим числом разных частот, что означает, что спектр излучения атомов является линейчатым1. На индивидуальности спектров каждого элемента основан метод определения химического состава вещества, который называется спектральный анализ
Некоторые атомы могут самопроизвольно испускать определенные частицы (в результате чего атомы одних элементов превращаются в атомы других). Такое явление называется радиоактивностью. Существует несколько видов радиоактивности, которые получили название -, – и -радиоактивности. Альфа-излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, состоящих их двух протонов и двух нейтронов. Альфа-частицы формируются внутри ядра распадающегося атома из его «собственных» протонов и нейтронов, а затем вылетают из ядра. После этого атом теряет два внешних электрона и становится электрически нейтральным атомом элемента, у которого меньше на два нейтрона и два протона. Этот процесс можно схематически записать в виде уравнения, которое называется уравнением ядерной реакции:
(26.7) |
Здесь и — химические символы распадающегося и образовавшегося элементов (например, при -распаде уран превращается в торий ), и — число нейтронов и протонов в распадающемся атоме, — символ -частицы.
При -распаде атом излучает электрон, причем электрон вылетает из атомного ядра. А поскольку «собственных» электронов в ядре нет, то в процессе -распада происходит превращение одного из нейтронов ядра в протон и электрон, протон остается в ядре, а электрон улетает. Этот процесс можно записать в виде уравнения
(26.8) |
Обратим внимание читателя на то, что в процессе -распада суммарное число нейтронов и протонов не изменяется. На самом деле в процессе -распада образуется еще одна частица — антинейтрино, которая имеет очень маленькую или вообще нулевую (это пока неизвестно) массу. Эта частица очень слабо взаимодействует с веществом и потому долгое время ее не могли обнаружить экспериментально.
При -распаде атомное ядро излучает кванты электромагнитного излучения (-частицы или -кванты), т.е. частицы той же физической природы, что и фотоны. Однако -частицы имеют очень большую частоту (и малую длину волны) по сравнению с фотонами видимого света и даже рентгеновским излучением (частота -лучей порядка 1020 Гц). Из-за очень малой длины волны -излучение практически не проявляет волновых свойств, а ведет себя как поток частиц. Поскольку при -распаде из атома не вылетают электроны, протоны или нейтроны, атом остается структурно тем же самым, но с меньшей энергией, поскольку часть энергии уносит -квант.
При радиоактивных распадах зависимость количества распадающихся атомов от времени подчиняется следующему закону: количество атомов данного радиоактивного вещества уменьшается в два раза за некоторое фиксированное время независимо от их первоначального количества. Это время называется периодом (или временем) полураспада данного вещества. Например, если в некоторый момент времени имеется 1000 атомов радиоактивного вещества с периодом полураспада 1 год, то через год останется 500 атомов. А если бы в начальный момент имелось 10000 атомов этого вещества, то через год их осталось бы 5000. Такая зависимость количества распавшихся атомов от времени свидетельствует о том, что, во-первых, распад каждого атома происходит независимо от других, а во-вторых, имеет вероятностный характер. Поэтому приведенный выше закон распада выполняется приближенно, причем тем точнее, чем большее количество атомов вещества распадется.
Последней темой, которая рассматривается в школьном курсе физики, является специальная теория относительности. Надо сказать, что это рассмотрение является весьма поверхностным, и потому в программу ЕГЭ по физике входит очень небольшое количество вопросов по данной теме. Мы нашли в опубликованных вариантах раздела «А» ЕГЭ прошлых лет всего три вопроса, которые с минимальными вариациями повторяются из года в год. Можно утверждать со значительной вероятностью, что именно эти вопросы будут повторяться и в будущем. Итак, дадим краткий обзор необходимого минимума сведений по теории относительности, входящих в школьный курс физики.
Специальная теорияотносительности1 рассматривает вопросы, связанные с механикой и электродинамикой тел, движущихся со скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Оказалось, что физические законы, управляющие поведением таких тел, значительно отличаются от законов физики Ньютона, которую в этом контексте принято называть классической. Экспериментальной основой теории относительности является опыт Майкельсона, который с помощью прямых измерений доказал, что скорость света в вакууме не зависит от скорости наблюдателя или источника. Этот факт Эйнштейн взял в качестве одного изпостулатов2 своей теории. Второй постулат называется принципом относительности и говорит о том, что все уравнения и законы физики имеют один и тот же вид во всех инерциальных системах отсчета, и, следовательно, все физические явления протекают во всех инерциальных системах отсчета одинаково (аналогичное утверждение, касающееся только механических явлений, называется принципом относительности Галилея). Опираясь только на эти два постулата, Эйнштейн доказал целый ряд удивительных утверждений. Оказалось, в частности, что интервалы времени и длины отрезков зависят от системы отсчета, т.е. являются, как говорят, относительными величинами. Кроме того, для тел, движущихся с большими скоростями, изменяются ряд физических законов (в частности, законы Ньютона), выражения для некоторых физических величин (энергии, импульса и др. ). Эйнштейн получил и новый закон сложения скоростей, который при малых скоростях переходит в «обычный» закон сложения скоростей Галилея, а при больших скоростях тел приводит к постоянству скорости света во всех инерциальных системах отсчета.
Рассмотрим теперь приведенные в первой части книги задачи.
Как это описывалось во введении к настоящей главе, максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов зависит только от частоты падающего света, но не зависит от интенсивности излучения (задача 26.1.1 — ответ 1).
От интенсивности излучения зависит количество фотоэлектронов. Поэтому если уменьшить интенсивность света без изменения его частоты (задача 26.1.2), то уменьшится количество фотоэлектронов, но никак не изменится их максимальная скорость.
Электрон, поглощая фотон с энергий 1,5 эВ (задача 26.1.3), приобретает именно такую энергию и не сможет покинуть металл, если работа выхода электрона из металла составляет 2 эВ. Поэтому при данных условиях фотоэффект идти не будет (ответ 3).
Согласно формуле (26.5) работа выхода электрона из данного металла равна энергии фотона, отвечающего красной границе фотоэффекта для данного металла. Поэтому правильный ответ в задаче 26.1.4 — 3.
Максимальную энергию фотоэлектронов , которую они приобретают при освещении цезия фотонами с энергией 2,1 эВ (задача 26.1.5) найдем по уравнению Эйнштейна для фотоэффекта (26.4): эВ. Отсюда следует, что для увеличения энергии фотоэлектронов вдвое (до величины 0,4 эВ) нужно увеличить энергию фотонов до 2,3 эВ, т.е. на 0,2 эВ (ответ 2).
Из уравнения Эйнштейна следует, что максимальная кинетическая энергия электронов в задаче 26.1.6 равна 1 эВ. Величину задерживающего напряжения можно найти по формуле (26.1). Вычислительно это процедура является очень простой, если для измерения энергии электрона используется внесистемная единица «электрон-вольт» (эВ). По определению 1 электрон-вольт — это кинетическая энергия, которую приобретает электрон, пройдя ускоряющее напряжение 1 Вольт (В). И наоборот, электроны с кинетической энергией 1 эВ будут остановлены задерживающим напряжением 1 В и фотоэффект полностью прекратится. Таким образом, правильный ответ в этой задаче — 3.
Согласно правилам обозначения атомов нижний индекс указывает число протонов в ядре и электронов на орбитах. Поэтому число электронов в атоме (задача 26.1.7) равно 26 (ответ 2).
Импульс фотона связан с его энергией формулой (26.3) (задача 26.1.8 — ответ 1).
Электрон в атоме излучает фотон, совершая переход и состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При этом по закону сохранения энергии разность начальной и конечной энергий электрона уносится фотоном. Используя формулу, связывающую энергию и частоту фотона (26.2), находим (задача 26.1.9):
(26.8) |
(ответ 1).
Как указывалось во введении к настоящей главе, спектры излучения парóв химических элементов являются линейчатыми, причем характер расположения линий излучения в спектре уникален для каждого элемента. Поэтому если в образце имеется какой-то элемент, в спектре излучения парóв этого образца будут обязательно представлены спектральные линии, характерные для этого элемента. Спектр излучения неизвестного образца в задаче 26.1.10 содержит все линии спектра стронция, не содержит ни одной линии спектра кальция и содержит ряд дополнительных линий. Это значит, что неизвестный образец содержит стронций и не содержит кальция (ответ 4). Кроме того, этот образец содержит еще какой-то элемент, который и дает лишние (по сравнению с линиями стронция) линии в спектре.
Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов (задача 26.2.1 — ответ 2).
Согласно правилам обозначения атомов нижний индекс у символа химического элемента представляет число протонов, верхний — сумму числа протонов и нейтронов. Поэтому в ядре (задача 26.2.2) содержится 30 = 56 − 26 нейтронов (ответ 2).
Из уравнения (26.7) для -распада находим, что при -распаде ядра радона (задача 26. 2.3) образуется ядро полония (ответ 4).
Из уравнения (26.8) для -распада находим, что при -распаде ядра тория (задача 26.2.4) образуется ядро протактиния (ответ 3).
При поглощении нейтрона (задача 26.2.5) число нейтронов в ядре увеличивается на единицу, число протонов не изменяется. Поэтому получится ядро свинца (ответ 1).
При двух -распадах тория (задача 26.2.6) два нейтрона в ядре превращаются в два протона. Поэтому получается ядро урана . При его -распаде число нейтронов и число протонов уменьшаются на две единицы каждое. В результате образуется ядро тория, но с другим по сравнению с начальным ядром количеством нейтронов (ответ 2).
За время, равное одному периоду полураспада (задача 26.2.7), количество атомов распадающегося вещества уменьшится вдвое и станет равным . Еще за один период полураспада вдвое уменьшится и это количество атомов, поэтому останется атомов вещества. А за еще один период полураспада (т. е. за время после начала наблюдения) вдвое уменьшится и это количество. Поэтому через время после начала наблюдения останется атомов вещества (ответ 3).
Постулатами теории относительности являются (см. введение к настоящей главе): утверждение о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета и равноправность всех инерциальных систем для описания любых физических явлений (принцип относительности). Поэтому правильный ответ в задаче 26.2.8 — 2.
Скорость света во всех инерциальных системах одинакова. Поэтому скорость фотонов, излученных фарами первого автомобиля в системе отсчета, связанной со вторым автомобилем (задача 26.2.9), равна = 3 • 108 м/с (ответ 3).
Как отмечалось во введении к настоящей главе, интервалы времени между событиями и длины отрезков меняются при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой. Как и в классической физике при переходе к другим системам отсчета меняются импульсы тел. Поэтому из перечисленных в задаче 26.2.10 величин не меняется только скорость света (ответ 4).
Кинетическая энергия | Физика
Из первых параграфов этой главы следует, что если суммарная работа сил, действующих на тело, положительна, то скорость тела относительно инерциальной системы отсчета увеличивается. Напротив, если эта работа отрицательна, то скорость тела уменьшается. Таким образом, изменение скорости движения тела и работа, совершенная над этим телом, связаны. Найдем эту связь.
Пусть на гладкой горизонтальной плоскости в точке с координатой x0 = 0 (рис. 124) покоится брусок массой m, к которому прикреплена нить. В момент времени t = 0 эту нить начинают тянуть с постоянной силой в положительном направлении оси X инерциальной системы отсчета. В результате со стороны нити на брусок будет действовать сила упругости нити F. Согласно второму закону Ньютона брусок начнет двигаться равноускоренно в положительном направлении оси X. Поскольку начальные координата и скорость бруска были равны нулю, изменение координаты бруска за время t будет равно
Δx = x – x0 = (a · t2) / 2.
Сила F к этому моменту времени совершит положительную работу
A = F · Δx = (m · a) · (a · t2)/2 = (m(a · t)2)/2 = (m · v2)/2.
Записывая последнее равенство, мы воспользовались известным из кинематики соотношением v = a · t (закон изменения скорости при равноускоренном движении), справедливым в рассматриваемом случае.
Подведем первый итог. Мы знаем, что действие на точечное тело нескольких сил неотличимо от действия одной силы, которая равна их сумме. Таким образом, если тело первоначально покоилось, то работа A суммы всех действующих на тело сил равна половине произведения массы тела на квадрат его конечной скорости.
Физическую величину (m · v2) / 2 называют кинетической энергией точечного тела массой m, движущегося в инерциальной системе отсчета со скоростью v.
Название «кинетическая» происходит от греческого слова «кинетис» – «движение».
Кинетическая энергия тела определяется скоростью его движения и массой. Она равна работе, которую надо совершить над телом для его разгона из состояния покоя до скорости с в инерциальной системе отсчета.
Чем большая работа совершена над телом при его разгоне, тем большей будет его кинетическая энергия.
Из выражения для кинетической энергии видно, что чем больше масса тела, тем большую работу надо совершить, чтобы разогнать его из состояния покоя до заданной скорости в выбранной ИСО.
Кинетическая энергия, как и работа, в СИ измеряется в джоулях.
Будем обозначать кинетическую энергию тела буквой K.
Кинетическая энергия точечного тела массой m равна K = (m · v2) / 2 в той инерциальной системе отсчета, относительно которой это тело движется со скоростью v.
Вернемся к рассмотренному примеру с бруском. Начальная скорость бруска равнялась нулю. Следовательно, его начальная кинетическая энергия K0 = (m · v02) / 2 = 0. При этом конечная кинетическая энергия бруска после приобретения им скорости v в результате совершения над телом механической работы равна Kк = (m · v2) / 2. Поэтому 0 + A = (m · v2) / 2.
Таким образом, если к начальной нулевой кинетической энергии тела K0 прибавить совершенную над телом суммарную работу A всех действовавших на него сил, то получится конечная кинетическая энергия K этого тела (рис. 125):
K0 + A = Kк.
Можно показать, что это соотношение будет выполняться и в том случае, если начальная кинетическая энергия тела отлична от нуля. Например, при свободном падении тела вниз сила тяжести совершает над ним положительную работу. Скорость тела растет. Растет и его кинетическая энергия.
Если работа, совершаемая над телом, будет отрицательной, то кинетическая энергия тела будет уменьшаться, т. е. тело будет тормозиться. (Это будет продолжаться до тех пор, пока тело не остановится.) Например, при подъеме тела сила тяжести совершает отрицательную работу и тормозит его. Поэтому кинетическая энергия поднимающегося тела будет уменьшаться до тех пор, пока тело не достигнет верхней точки подъема.
В случае если отрицательная работа, совершенная над телом, по модулю будет равна его начальной кинетической энергии, то конечная кинетическая энергия тела станет равна нулю, т. е. тело остановится (полностью затормозится). При этом само тело совершит над тормозящим его движение объектом положительную работу.
Эта ситуация показана на рис. 126: движущийся грузовик сталкивается с остановившимся перед светофором легковым автомобилем. В результате удара легковой автомобиль начинает двигаться со скоростью vл.
Тело массой m, движущееся со скоростью v в ИСО, за счет уменьшения скорости до нуля может совершить над другими телами положительную работу, равную его кинетической энергии (m · v2) / 2.
Таким образом, кинетическая энергия тела массой m, во-первых, равна работе, которую нужно было совершить над этим первоначально покоившимся в ИСО точечным телом, чтобы оно стало двигаться со скоростью v. Кинетическая энергия тела, во-вторых, равна работе, которую это тело может совершить в ИСО над другими телами за счет уменьшения своей скорости до нуля.
При определении кинетической энергии тела необходимо всегда помнить следующее. Вы знаете, что скорость тела определяется тем, в какой системе отсчета рассматривается движение этого тела. Поэтому кинетическая энергия данного тела будет зависеть от того, в какой инерциальной системе мы ее вычисляем. Значит, говоря, что кинетическая энергия тела имеет такое-то значение, необходимо указывать, в какой инерциальной системе отсчета она вычислялась. Наконец, отметим, что полученные выражения справедливы только в инерциальных системах отсчета, так как при их выводе мы пользовались вторым законом Ньютона.
Получим выражение для расчета кинетической энергии системы тел. Для этого рассмотрим простейший случай. Пусть наша система состоит из двух тел. Если первое тело массой m1 движется со скоростью v2, а второе тело массой m2 – со скоростью v2 в той же ИСО, то эти тела обладают кинетическими энергиями K1 = (m1 · v12) / 2 и K2 = (m2 · v22) / 2. При полном торможении эти тела совершат над затормозившими их объектами суммарную работу A = K1 + K2. Поэтому кинетическая энергия системы тел равна сумме кинетических энергий этих тел. Отметим, что при увеличении кинетической энергии системы тел действующие на эти тела объекты совершают положительную работу, равную изменению кинетической энергии системы тел.
Итоги
Кинетической энергией точечного тела массой m, движущегося в инерциальной системе отсчета со скоростью v, называют физическую величину
K = (m · v2) / 2.
Кинетическая энергия тела определяется скоростью его движения и массой. Она равна работе, которую надо совершить над телом для его разгона из состояния покоя в инерциальной системе отсчета до скорости v.
Если над телом, имеющим в данной ИСО кинетическую энергию K0, совершена работа A, то конечная кинетическая энергия тела Kк = K0 + A.
При A > 0 кинетическая энергия тела увеличивается (тело разгоняется), при A = 0 она остается неизменной (тело движется с постоянной скоростью), при A
Тело массой m, движущееся со скоростью v в ИСО, за счет уменьшения своей скорости до нуля может совершить положительную работу, равную его кинетической энергии (m · v2) / 2.
Кинетическая энергия данного тела зависит от того, в какой инерциальной системе ее вычисляют.
Кинетическая энергия системы тел равна сумме кинетических, энергий этих тел.
Вопросы
- Сформулируйте определение кинетической энергии. Может ли кинетическая энергия быть отрицательной? Ответ обоснуйте.
- Какое название носит единица кинетической энергии в СИ?
- Какую работу надо совершить над телом массой m, чтобы из состояния покоя разогнать его до скорости v?
- Как изменяется кинетическая энергия тела, если работа суммы всех действующих на него сил положительна, отрицательна, равна нулю?
- Какую работу может совершить движущееся в ИСО со скоростью v тело массой m за счет уменьшения своей скорости до нуля?
- Известно, что парашютист через некоторое время после раскрытия парашюта движется вниз с постоянной скоростью. Сформулируйте гипотезу о соотношении при таком движении работы силы тяжести и работы силы сопротивления воздуха, совершаемых над системой тел «парашют – парашютист». Докажите эту гипотезу.
Упражнения
- Определите работу, которую надо совершить над телом массой m = 3 кг, чтобы из состояния покоя разогнать его до скорости v = 2 м/с в ИСО.
- Определите работу, которую надо совершить над телом массой m = 10 кг, движущимся относительно Земли со скоростью, модуль которой равен 20 м/с, чтобы полностью затормозить его.
- Чему равна кинетическая энергия стоящего на дороге автомобиля массой m = 1 т в системе отсчета, связанной: а) с дорогой; б) с автобусом, едущим по дороге со скоростью 20 м/с?
- Вычислите кинетическую энергию свободно падающего с высоты h = 80 м камня массой m = 5 кг в момент его удара о Землю. Найдите скорость камня в этот момент времени.
- Определите начальную кинетическую энергию грузового автомобиля, который под действием постоянной силы трения проходит до полной остановки тормозной путь 40 м. Модуль силы трения равен 25 кН. Найдите начальную скорость автомобиля, если его масса равна m = 5 т.
- Вычислите скорость пули массой m = 10 г, вылетающей из ствола снайперской винтовки длиной L = 1 м под действием постоянной силы со стороны пороховых газов, если ее модуль равен 5 кН. Винтовку во время выстрела удерживали неподвижной.
- Определите (через изменение кинетической энергии) работу силы тяжести при свободном падении камня массой m = 2 кг за промежуток времени, в течение которого его скорость изменялась от v0 = 0 до vк = 30 м/с.
- Кинетическая энергия системы из двух тел первоначально была равна K0 =100 Дж в системе отсчета, связанной с Землей. Над телами этой системы совершили отрицательную работу A = -80 Дж. В результате первое тело этой системы массой m1 = 20 кг остановилось. С какой по модулю скоростью относительно Земли будет двигаться второе тело массой m2 = 10 кг после совершения указанной работы?
Как рассчитать кинетическую энергию-x-engineer.org
Содержание
- Определение
- Формула
- Пример транспортного средства
- Пример пули
- калькулятор
- Кинетические эргии для различных объектов
- Статьи
- 9000 2
определения
определения 9000 2определения 9000 3
9 9000 2определения
- .
Кинетическая энергия – это энергия, которой обладает тело, предмет или частица вследствие своего движения. Другими словами, любой объект, тело или частица, обладающие массой и скоростью, обладают кинетической энергией. Объект, тело или частица с нулевой скоростью (что означает, что они неподвижны) будут иметь нулевую кинетическую энергию.
Изображение: Кинетическая энергия пули
Даже при небольшой массе пуля, выпущенная из огнестрельного оружия, имеет относительно высокую кинетическую энергию из-за того, что движется с очень высокой скоростью.
Вернуться назад
Формула
Для расчета кинетической энергии умножьте массу тела (объекта) на квадратное значение скорости и разделите результат на два. Формула (уравнение) для расчета кинетической энергии [1]:
E k = (м · v 2 ) / 2
(1)
где:
- E k [Дж] – кинетическая энергия
- m [кг] – масса vm/s [
- ] – скорость
Единицей измерения кинетической энергии является джоуль [Дж].
Назад
Пример автомобиля
Рассчитайте кинетическую энергию автомобиля массой 1200 кг, движущегося со скоростью 125 км/ч.
Шаг 1 . Преобразуйте скорость автомобиля из [км/ч] в [м/с], разделив значение [км/ч] на 3,6:9.0023
v = 125 / 3,6 = 34,72 м/с
Шаг 2 . Рассчитайте кинетическую энергию E k [Дж] транспортного средства, используя уравнение (1):
E k = (m · v 2 ) / 2 = (1200 · 34,72 2 ) / 2 = 723287,04 J
Назад
Пример пули
Рассчитайте кинетическую энергию пули массой 30 г, движущейся со скоростью 2600 футов в секунду.
Шаг 1 . Преобразуйте массу пули из [г] в [кг], разделив [г] на 1000:
м = 30 / 1000 = 0,03 кг
Этап 2 . Преобразуйте скорость пули из [фут/с] в [м/с], разделив значение [фут/с] на 3,281:
v = 2600 / 3,281 = 792,44 м/с
Шаг 3 . Рассчитайте кинетическую энергию E k [Дж] пули, используя уравнение (1):
E k = (m · v 2 ) / 2 = (0,03 · 792,44 2 ) / 2 = 9419,42 J
Назад
Калькулятор
Калькулятор кинетической энергии позволяет рассчитать кинетическую энергию тела (объекта) с заданной массой и скоростью движения. Вам нужно ввести параметры массы и скорости и выбрать нужную единицу измерения.
Mass
kilogramsgramstonnesimperial tonnesUS tonnesstonespoundsouncesSpeed
meters per secondkilometers per hourmiles per hourfeet per secondknotsKinetic
energy
jouleskilojoulesgram caloriescalorieskilocalorieswatts hourkilowatts hourmegawatts hourgigawatts hourelectronvoltsbritish thermal unitsUS thermfeet poundThe default unit of measurement for energy is Джоуль . Если вы хотите, чтобы результат отображался в других единицах, используйте раскрывающийся список для выбора и снова нажмите кнопку РАСЧЕТ.
Go back
Kinetic energies for various objects
Object Mass [kg] Speed [m/s] Kinetic energy [J] Earth orbiting the Sun 5.98·10 24 2.98·10 4 2.65·10 33 Moon orbiting the Earth 7.35·10 22 1.02·10 3 3.82·10 23 Rocket moving at escape speed a 500 1.12·10 4 3.14·10 10 Automobile at 55 miles per hour 2000 25 6.3 · 10 5 .0164 14 98 Golf ball at terminal speed 0.046 44 45 Raindrop at terminal speed 3. 5·10 -5 9 1.4·10 – 3 Молекула кислорода в воздухе 5,3 · 10 -26 500 6.6 · 10 -21 6.6 · 10 -21 6.6 · 10 -21 6.6 · 100041 -21 6.6 · 100041 -21 6.6 · 100041 -21 . поверхности Земли, если он должен избежать гравитационной силы Земли. Назад
Ссылки
[1] Дэвид Холлидей, Роберт Резник, Джерл Уокер, Основы физики, 7-е издание, John Wiley & Sons, 2004.
[2] Бенджамин Кроуэлл, Свет и материя – физика, 2007.
[3] Raymond A. Serway и John W. Jr. Jewett, Physics для ученых и инженеров, 6-е издание, Brooks/Cole Publishing Co., 2004
[4] Jiansong Li, Jiyun Zhao, and Xiaochun Zhang, A Novel Energy Система восстановления, объединяющая маховик и регенерацию потока для системы гидравлической стрелы экскаватора, Energies 2020.
[5] Leo H. Holthuijsen, Волны в океанских и прибрежных водах, Cambridge University Press, 2007.
[6] Kira Grogg, Harvesting the Wind: The Physics of Wind Turbines, Carleton College, 2005.Potential and Kinetic Объяснение энергии
Энергия — увлекательное понятие. Его нельзя ни создать, ни разрушить, но можно изменить. Всякий раз, когда вы используете или храните энергию, вы имеете дело с потенциальной или кинетической энергией. Читайте дальше, пока мы обсуждаем эти две формы энергии более подробно и исследуем взаимосвязь между ними.
Что такое потенциальная и кинетическая энергия и в чем их различие?Вам нужно энергии для выполнения любой работы , поэтому способность выполнять любую работу является энергией.
Прочитайте это еще раз.
Потенциальная и кинетическая энергия – две формы энергии, которые могут быть преобразованы друг в друга . Потенциальная энергия может быть преобразована в кинетическую энергию и наоборот.
источник
Потенциальная энергия – запасенная энергия в любом объекте или системе в силу его положения или расположения частей. Однако на него не влияет окружающая среда за пределами объекта или системы, например воздух или высота.
С другой стороны, кинетическая энергия — это энергия объекта или частиц системы в движении. В отличие от потенциальной энергии, кинетическая энергия объекта относится к другим стационарным и движущимся объектам, присутствующим в его непосредственной близости. Например, кинетическая энергия объекта будет выше, если объект будет расположен на большей высоте.
Потенциальная энергия не передается и зависит от высоты или расстояния и массы объекта. Кинетическая энергия может передаваться от одного движущегося объекта к другому (вибрация и вращение) и зависит от скорости или скорости объекта и массы.
Поясним P.E и K.E на примере.
Представьте, что у вас в руке молоток. Когда вы поднимаете молот выше, у него появляется потенциальная энергия. Но когда вы опускаете молоток вниз, чтобы ударить по поверхности стола, у него появляется кинетическая энергия.
Здесь следует отметить три интересных момента.
Во-первых, у поднятого молота больше потенциальной энергии, так как он может двигаться выше или ниже. Во-вторых, когда вы ударяете молотком по столу, накопленная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, когда молоток падает. (Именно падающий молот обладает кинетической энергией.) В-третьих, как только молоток ударяет по столу, энергия меняется. Тогда стационарный молот накопил энергию в виде потенциальной энергии.
Как показывает этот пример, энергия не уничтожается и не теряется в течение всего процесса – она только переходит из одной формы в другую, подтверждая закон сохранения энергии. [1]
Какая связь между потенциальной и кинетической энергией?Теперь вы знаете, что потенциальная энергия относится к положению , а кинетическая энергия относится к движению.
Основная связь между ними заключается в их способности превращаться друг в друга. Другими словами, потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию, а кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию, а затем снова . Это бесконечный цикл.
Возьмем другой пример. Представьте, что на столе лежит книга.
Когда книга находится в состоянии покоя, она обладает потенциальной энергией. Но когда вы случайно сбиваете ее со стола, эта потенциальная энергия превратится в кинетическую энергию, пока книга падает, так как находится в движении. Однако, как только книга упадет на пол, эта энергия движения снова преобразуется в потенциальную энергию. [2]
Каковы примеры потенциальной энергии?источник
Существует три основных типа потенциальной энергии: упругая потенциальная энергия, гравитационная потенциальная энергия и химическая потенциальная энергия. [3]
Упругая потенциальная энергия хранится в объектах, которые могут растягиваться или сжиматься. Чем больше объект растягивается или сжимается, тем больше у него упругой потенциальной энергии. Классический пример — натянутая резинка. Хотя у него уже больше потенциальной энергии, чем дальше вы его растягиваете, тем выше будет упругая потенциальная энергия. [4]
Вы также должны знать, что потенциальную энергию гравитации и потенциальную энергию упругой энергии можно еще больше дифференцировать на основе механической энергии.
Например, автомобиль, припаркованный на вершине холма, является примером механической гравитационной потенциальной энергии, поскольку автомобиль может спуститься с холма. То же самое с американскими горками, которые останавливаются в самой высокой точке рельсов. [5]
Почтовый индекс
С другой стороны, когда лучник натягивает лук перед тем, как прицелиться, натянутая тетива обладает большей механической эластичной потенциальной энергией, которая высвобождается, когда стрела выходит из лука.
Позже мы обсудим гравитационную потенциальную энергию и химическую потенциальную энергию более подробно.
Специальные варианты:Теперь, когда мы рассмотрели основы, пришло время сосредоточиться на деталях. Ниже мы объясним некоторые из наиболее распространенных форм энергии, чтобы показать, почему они обладают потенциальной или кинетической энергией.
Какова потенциальная энергия электрона?источник
Все во Вселенной состоит из атомов . Эти атомы состоят из протонов, нейтронов и электронов, что дает им возможность передавать кинетическую энергию.
У каждого атома есть ядро, вокруг которого вращаются электроны. Поскольку эти электроны всегда находятся в движении, они обладают кинетической энергией. Но все меняется, хотя и временно, когда вы прикладываете к атому давление или энергию. [6]
Видите ли, кинетическая энергия электронов увеличивается при приложении давления, заставляя их двигаться быстрее, в конечном итоге заставляя их переходить на более широкую орбиту. После этого каждый электрон будет иметь запасенную энергию, которая станет его потенциальной энергией.
Поскольку вся эта схема является временной, электрон высвобождает эту потенциальную энергию, преобразуя ее в кинетическую энергию, возвращаясь на свою ранее меньшую орбиту. Вот почему полной энергии электрона есть сумма его потенциальной энергии и кинетической энергии 9.0034 . [7]
Является ли батарея кинетической или потенциальной энергией?Батарея представляет собой форму потенциальной энергии. Чтобы объяснить это, нам нужно немного углубиться в технику.
Батарея накапливает электрическую потенциальную энергию, когда электроны движутся от катода к аноду. Так заряжается аккумулятор.
Когда электроны движутся в другом направлении, они преобразуют эту химическую потенциальную энергию в электричество в цепи, тем самым разряжая батарею. [8] Итак, вся потенциальная энергия батареи.
Является ли электрическая энергия потенциальной или кинетической?Электрическая энергия может быть либо потенциальной, либо кинетической энергией , поскольку она создается из потока электрического заряда.
Продолжая пример с батареей, мы знаем, что во время зарядки она обладает потенциальной электрической энергией. Но как только вы прикладываете силу к батарее, заряженные частицы начинают совершать некоторую работу, превращая потенциальную энергию в кинетическую.
Точно так же, когда вы включаете свет, потенциальная энергия проходит по вашей проводке и преобразуется в свет и тепло, которые являются формами кинетической энергии. [9]
Является ли звуковая энергия потенциальной или кинетической?Как и электрическая энергия, звуковая энергия может быть как потенциальной, так и кинетической энергией. Но прежде чем углубляться в детали, давайте разберемся, что такое звуковая энергия.
Энергия звука — это энергия, выделяемая вибрирующими объектами. Однако звук — это волна, которая проходит через среду, такую как воздух, что позволяет ему накапливать кинетическую и потенциальную энергию. [10, 11]
Например, когда вы играете на барабанах, они вибрируют в результате излучения звуковых волн. Эти волны колеблются и путешествуют, создавая кинетическую энергию. Но когда барабаны остаются нетронутыми, у них больше потенциальной энергии, поскольку оборудование не находится в движении и может издавать звук.
Является ли тепловая энергия потенциальной или кинетической?Тепловая энергия — это просто модное слово для обозначения тепловой энергии. Это форма потенциальной и кинетической энергии.
Если вы помните, электроны атома обладают потенциальной энергией. Как только вы оказываете давление на электроны, они начинают быстро двигаться, ударяясь друг о друга и выделяя тепловую энергию в виде тепла.
Подумай немного о кипящей воде. Вода, поставленная на плиту, обладает потенциальной энергией. Но как только вода начинает нагреваться, молекулы воды начинают двигаться быстрее, создавая кинетическую энергию.
Термическая потенциальная энергия – это потенциальная энергия на атомном и молекулярном уровнях, когда частицы проявляют потенциал преобразования в кинетическую энергию. С другой стороны, тепловая кинетическая энергия — это когда атомы и молекулы начинают двигаться из-за тепла и температуры. [12]
Является ли лучистая энергия потенциальной или кинетической?Лучистая энергия — это форма кинетической энергии, которая создается, когда электромагнитные волны распространяются в пространстве. Возможно, вы удивитесь, узнав, что Солнце является одним из крупнейших источников лучистой энергии на нашей планете. [13]
Помните то теплое чувство, которое вы испытываете, когда выходите из солнца? Это лучистая энергия солнца, которая касается нашей кожи. Точнее, электромагнитные волны заставляют молекулы нашей кожи двигаться быстрее, что, в свою очередь, создает кинетическую энергию. [14]
Почтовый индекс
Изменения потенциальной энергииСуществует шесть типов потенциальной энергии: механическая энергия, электрическая энергия, химическая энергия, лучистая энергия, ядерная энергия и тепловая энергия. [15]
Однако основное внимание здесь уделяется потенциальной химической потенциальной энергии и гравитационной потенциальной энергии.
Что такое химическая потенциальная энергия?Химическая потенциальная энергия – это запасенные химические связи вещества. Когда вы заряжаете батарею, батарея накапливает химическую потенциальную энергию, которая позже преобразуется в электрическую энергию. [16]
Определить гравитационную потенциальную энергиюГравитационное поле Земли отвечает за гравитационную потенциальную энергию. Британская радиовещательная корпорация описывает эту форму потенциальной энергии как энергию, которой объект обладает благодаря своему положению над поверхностью Земли. [17]
Вы, наверное, замечали, что когда человек ныряет, он всегда приземляется с большей силой, когда делает всплеск в бассейне.
*Введите гравитацию Земли*
Сила гравитации использует вес дайвера для создания кинетической энергии (движение при нырянии), которая заставляет дайвера плескаться в бассейне. Таким образом, когда дайвер стоит на вершине трамплина, это его гравитационная потенциальная энергия, которая затем преобразуется в кинетическую энергию, когда он прыгает с трамплина.
НаукаОставив в стороне особенности и вариации, давайте подробнее рассмотрим энергию, рассмотрев, как потенциальная энергия описывается в других формах исследований.
Что такое потенциальная энергия в физике?В физике потенциальная энергия — это накопленная энергия в объекте из-за его положения относительно некоторого нулевого положения, которое является произвольно назначенным положением, таким как земля. [18] Он придерживается нескольких связанных с физикой законов, таких как закон сохранения энергии и первый закон термодинамики, которые утверждают, что энергия всегда сохраняется и не может быть создана или уничтожена. [19]
Что такое потенциальная энергия в химии?Химическая потенциальная энергия – это запасенная энергия в химических связях вещества, которая расщепляется в ходе различных химических реакций. Вновь генерируемая химическая энергия используется по-разному, также известная как работа. [20]
Работа – это энергия в движении. Следовательно, химическая потенциальная энергия остается верной основному закону: потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию и никогда не создается и не уничтожается.
Что такое кинетическая энергия и формула потенциальной энергии?Потенциальная энергия и кинетическая энергия измеряются в джоулях (Дж), названных в честь английского математика Джеймса Прескотта Джоуля. Но у них разные формулы относительно их различных атрибутов.
Потенциальная энергия зависит от силы, действующей на два объекта, поэтому ее формула:0307 – масса, измеренная в килограммах
- g ускорение свободного падения
- h высота в метрах
Кинетическая энергия прямо пропорциональна массе объекта и квадрату его скорости. Подставляя его в формулу [22] , получаем:
Кинетическая энергия = 1/2 м v²
- м – масса, измеренная в килограммах 9
- v скорость в метрах в секунду
источник
Потенциальная энергия и кинетическая энергия являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни. От простых вещей, таких как чистка зубов, до простого стояния — все, что мы делаем, использует обе формы энергии.
Вы найдете различные формы энергии, от тепловой до звуковой и электрической. Но если есть что-то общее у них всех: вы можете классифицировать их все как потенциальную энергию или кинетическую энергию, а иногда и то, и другое.
Кинетическая энергия и потенциальная энергия y также играют решающую роль в озеленении нашей земли, поскольку они помогают создавать возобновляемые источники энергии, такие как энергия ветра. Короче говоря, мы никогда и не собираемся иметь дело с этими формами энергии, тем более что энергия никогда не теряется — она только меняет форму.
Предоставлено вам justenergy.com
Источники:
- Закон сохранения энергии. Энергетическое образование. https://energyeducation.ca/encyclopedia/Law_of_conservation_of_energy. Обновлено 28 апреля 2020 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Потенциальная энергия. Ежедневная наука. https://www.sciencedaily.com/terms/potential_energy.htm. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Виды потенциальной энергии. химКинетика. http://chemsite.lsrhs.net/chemKinetics/PotentialEnergy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Виды потенциальной энергии. химКинетика. http://chemsite.lsrhs.net/chemKinetics/PotentialEnergy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Примеры потенциальной энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-potential-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Яркая буря. Кинетическая и потенциальная энергия атомов. https://www.brightstorm.com/science/физика/тепло-и-термодинамика/кинетическая-и-потенциальная-энергия-атомов. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Спросите Итана: что такое электрон. Форбс. https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2019/04/06/ask-ethan-what-is-en-electro/?sh=438a769a3b4d. Обновлено 6 апреля 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Электрический ток. Люмен. . По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Компания ThoughtCo. Как работает электрическая энергия? https://www.thoughtco.com/electrical-energy-definition-and-examples-4119325. Обновлено 8 июня 2019 г. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Примеры звуковой энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-sound-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Энергия звука. Солнечные школы. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/sound. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Энергия звука. Солнечные школы. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/thermal. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Солнечные школы. Энергия излучения. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/radiant. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Подробнее об энергии. Глиняный центр. https://www.theclaycenter.org/wp-content/uploads/2016/10/Energy-Curriculum-Forms.pdf. Обновлено в октябре 2016 г. По состоянию на 5 ноября 2020 г.
- Примеры потенциальной энергии. Ваш словарь. https://examples.yourdictionary.com/examples-of-potential-energy.html. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Энергия. Би-би-си. https://www.bbc.co.uk/bitesize/guides/zq2csrd/revision/4. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Потенциальная энергия. Физическая игровая комната. https://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Potential-Energy#:~:text=To%20summarize%2C%20potential%20energy%20is или%20below)%20%20zero%20высота. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Закон термодинамики. Общественный колледж Эстрелла Маунтин. . По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Химическая энергия. Солнечная школа. https://www.solarschools.net/knowledge-bank/energy/types/chemical. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
- Наука. Как рассчитать потенциальную энергию. https://sciencing.com/calculate-potential-energy-4514673.html. Обновлено 30 октября 2016 г. По состоянию на 2 ноября 2020 г.
- Формула кинетической энергии. SoftSchools.com. https://www.softschools.com/formulas/physics/kinetic_energy_formula/26/. По состоянию на 10 ноября 2020 г.
Все изображения предоставлены по лицензии Adobe Stock.
Избранное изображение:Что такое температура и что она на самом деле измеряет?
Кредит: Pixabay.Каждый хотя бы раз в жизни пользовался термометром, но даже без него наши тела являются приличными датчиками для измерения того, насколько горячими или холодными являются предметы при контакте. Мы называем это свойство температурой, которая в более технических терминах представляет собой среднюю кинетическую энергию атомов и молекул, составляющих объект.
Содержание
- 1 Нагрев или температура?
- 2 Танец молекул
- 3 Температурные весы
- 4 Как измеряется температура
Теплота или температура?
Прежде чем мы продолжим нашу дискуссию, важно кое-что прояснить.
Часто тепло и температура используются взаимозаменяемо — это неправильно. Хотя эти два понятия связаны, температура отличается от тепла.
РЕКЛАМА
Температура описывает интернет-энергию системы, тогда как тепло относится к энергии, передаваемой между двумя объектами при разных температурах.
Но, как вы могли заметить, тепло может быть очень полезным при описании температуры.
Представьте себе чашку горячего кофе. Прежде чем наливать горячий эликсир жизни, чаша имела такую же температуру, как и окружающий ее воздух. Однако, как только он вошел в контакт с жидкостью, тепло передавалось, повышая его температуру. Теперь, если вы прикоснетесь к чашке, вы почувствуете, что она горячая.
Но по прошествии достаточного времени и чашка, и ее содержимое достигнут теплового равновесия с окружающим воздухом. По сути, все они имеют одинаковую температуру, а это еще один способ сказать, что чистой передачи энергии больше нет. Физики называют это «нулевым законом термодинамики». По этому принципу тепло может исходить только от тела, температура которого выше, чем у другого тела, с которым оно находится в контакте, и никогда наоборот.
РЕКЛАМА
Танец молекул
Все в этой вселенной находится в движении, а движение порождает кинетическую энергию. Чем быстрее движется частица, тем больше у нее кинетической энергии. На самом деле кинетическая энергия увеличивается экспоненциально со скоростью частицы.
Какое место во всем этом занимает температура? Что ж, температура — это просто средняя мера кинетической энергии частиц материи. Другими словами, температура просто описывает среднюю вибрацию частиц.
Поскольку движение всех частиц случайно, они не все движутся с одинаковой скоростью и в одном направлении. Некоторые сталкиваются друг с другом и передают импульс, еще больше увеличивая свое движение. По этой причине не все частицы, составляющие объект, будут иметь одинаковую кинетическую энергию.
Другими словами, когда мы измеряем температуру объекта, мы фактически измеряем среднюю кинетическую энергию всех частиц в объекте. Однако это всего лишь приближение.
В рамках этой логики чем выше температура, тем выше скорость движения частиц. И наоборот, при понижении температуры движение частиц замедляется. Например, красители быстрее распространяются через горячую воду, чем через холодную.
Вот почему при температуре абсолютного нуля движение частиц останавливается. Абсолютный ноль — это всего лишь теоретическая конструкция, и на практике он никогда не может быть достигнут. Однако физикам удалось охладить вещи до доли градуса выше нуля, улавливая атомы и молекулы или создавая экзотические фазы материи, такие как конденсат Бозе-Эйнштейна (БЭК).
Важно отметить, что температура не зависит от количества вовлеченных молекул. Кипящая чашка воды имеет ту же температуру, что и кипящий котел с водой — в обоих сосудах молекулы воды имеют одинаковую среднюю кинетическую энергию, независимо от количества вовлеченного вещества.
Температурные весы
Авторы и права: бортмеханик.Для описания температуры используются различные шкалы. В Соединенных Штатах наиболее часто используемой единицей измерения температуры является Фаренгейт, в то время как большая часть остального мира использует градусы Цельсия (или Цельсия). Физики часто предпочитают измерять температуру в градусах Кельвина, которые также являются стандартной международной единицей измерения температуры.
В шкале Кельвина ноль означает абсолютную минимальную температуру, которую может иметь вещество, тогда как в шкале Цельсия ноль градусов — это температура, при которой вода замерзает при давлении в одну атмосферу (273,15 Кельвина). При температуре 100 градусов по Цельсию вода начинает кипеть при давлении в одну атмосферу, что обеспечивает точную, линейную и удобную шкалу для описания температуры.
Особого упоминания заслуживает шкала Ренкина, наиболее часто используемая в технике. Размер градуса такой же, как градус Фаренгейта, но ноль шкалы – абсолютный нуль. Часто для выражения температуры Ренкина используется просто R для «Рэнкина», а не ° R. Ноль шкалы Ренкина равен -459.0,67 ° F (абсолютный ноль), а точка замерзания воды составляет 491,67 R.
Как измеряется температура
Из-за нашей врожденной способности чувствовать, насколько горячие или холодные предметы, люди на протяжении всей истории мало использовали точные измерения температуры. Тем не менее, всегда были индивидуалисты, стремящиеся узнать о вещах только ради того, чтобы разгадать природу или получить удовольствие от занятий наукой.
Герою, греческому философу и математику, приписывают идею первого термометра, написавшего в I веке н. э. о взаимосвязи между температурой и расширением воздуха в своей работе Пневматика .
Древний текст пережил деградацию Римской империи и последовавшие за ней темные века, пока не всплыл на поверхность в эпоху Возрождения.
Ассортимент термометров Galileo различных размеров. Чем больше размер, тем точнее прибор. Кредит: Амазонка.Считается, что работа Героя вдохновила Галилео Галилея на изобретение первого устройства, точно измеряющего температуру. Термометр Galileo состоит из нескольких стеклянных сфер, каждая из которых заполнена окрашенной жидкой смесью, которая часто содержит спирт, но может быть даже просто водой с добавлением пищевого красителя.
К каждому пузырю прикреплена металлическая бирка с указанием температуры, которая также служит калиброванным противовесом, немного отличающимся от других. Эти плавающие шары тонут или плавают в окружающей воде, медленно и грациозно опускаясь или взбираясь вверх по толщине воды.