Девятый класс
  1. Механика  1.1. Движение  1.1.1. Виды движения  1.1.2. Расстояние и перемещение  1.1.3. Скорость и вектор скорости  1.1.4. Ускорение  1.1.5. Графическое представление движения  1.1.6. Уравнения движения  1.1.7. Равномерное и неравномерное движение  1.1.8. Свободное падение и ускорение свободного падения  1.1.9. Relative speed  1.1.10. Circular motion  1.2. Законы силы и движения  1.2.1. Понятие силы  1.2.2. Первый закон Ньютона  1.2.3. Newton's second law of motion  1.2.4. Третий закон Ньютона  1.2.5. Инерция и виды инерции  1.2.6. Motion  1.2.7. Conservation of momentum  1.2.8. Применение законов Ньютона в повседневной жизни  1.2.9. Types of Forces (Contact and Non-Contact)  1.2.10. Friction and its effects  1.3. Гравитационная сила  1.3.1. Закон всемирного тяготения Ньютона  1.3.2. Важность гравитационной силы  1.3.3. Ускорение из-за гравитации  1.3.4. Свободное падение и невесомость  1.3.5. Масса и вес  1.3.6. Изменение g с высотой и глубиной  1.3.7. Kepler's laws of planetary motion  1.3.8. Satellites and their orbits  1.4. Work, Energy and Power  1.4.1. Понятие работы  1.4.2. Положительные и отрицательные действия  1.4.3. Работа, совершаемая постоянной и переменной силой  1.4.4. Энергия и ее формы  1.4.5. Кинетическая и потенциальная энергия  1.4.6. Закон сохранения энергии  1.4.8. Коммерческая единица энергии  1.4.9. Теорема о работе и энергии  1.5. Простые механизмы  1.5.1. Types of simple machines  1.5.2. Механическое преимущество  1.5.3. Эффективность машин  1.5.4. Рычаги и их типы  1.5.5. Блоки и наклонные плоскости  1.5.6. Шестерни и их применение
  2. Свойства материи  2.1. Состояния материи  2.1.1. Solids, liquids and gases  2.1.2. Свойства различных состояний вещества  2.1.3. Изменение состояния вещества  2.1.4. Плазма и конденсат Бозе — Эйнштейна  2.2. Плотность и давление  2.2.1. Понятие плотности и относительной плотности  2.2.2. Давление в твердых телах, жидкостях и газах  2.2.3. Pascal's law and its applications  2.2.4. Атмосферное давление и его вариации  2.2.5. Surface tension and capillarity  2.3. Плавучесть и принцип Архимеда  2.3.1. Выталкивающая сила  2.3.2. Закон Архимеда  2.3.3. Применения принципа Архимеда  2.3.4. плавучие и тонущие объекты  2.3.5. Теория плавания и принцип Архимеда
  3. Теплота и термодинамика  3.1. Температура и тепло  3.1.1. Концепция тепла и температуры  3.1.2. Измерение температуры  3.1.3. Шкалы температуры  3.2. Heat transfer  3.2.1. Проводимость тепла  3.2.2. Конвекция тепла  3.2.3. тепловое излучение  3.2.4. Применения теплообмена  3.2.5. Теплопроводность  3.3. Thermal expansion  3.3.1. Расширение твердых тел, жидкостей и газов  3.3.2. Abnormal expansion of water  3.3.3. Применение теплового расширения  3.4. Удельная теплоемкость и скрытая теплота  3.4.1. Концепция удельной теплоемкости  3.4.2. Измерение и применение удельной теплоемкости  3.4.3. Latent heat of fusion and vaporization  3.4.4. Тепловые двигатели и эффективность
  4. Волны и звук  4.1. Waves and their types  4.1.1. Механические и электромагнитные волны  4.1.2. Продольные и поперечные волны  4.1.3. Свойства волн  4.1.4. Длина волны, частота и скорость волны  4.1.5. Наложение волн  4.2. Звуковые волны  4.2.1. Природа и передача звука  4.2.2. Скорость звука в различных средах  4.2.3. Отражение звука и эхо  4.2.4. Sonar and ultrasound  4.2.5. Резонанс и пульсация  4.3. Характеристики звука  4.3.1. Интенсивность, громкость и качество звука  4.3.2. Эффект Доплера в звуке
  5. Освещение и оптика  5.1. Отражение света  5.1.1. Законы отражения  5.1.2. Отражение от плоского зеркала  5.1.3. Отражение от сферического зеркала  5.1.4. Формирование изображения вогнутыми и выпуклыми зеркалами  5.1.5. Применения отражения  5.2. Преломление света  5.2.1. Законы преломления  5.2.2. Показатель преломления  5.2.3. Преломление через стеклянную плиту  5.2.4. Refraction in water and air  5.2.5. Lenses and their types  5.2.6. Image formation by convex and concave lenses  5.2.7. Total internal reflection and its applications  5.3. Дисперсия и рассеяние света  5.3.1. Спектр белого света  5.3.2. Prisms and Dispersion  5.3.3. Эффект Тиндаля и голубое небо
  6. Электричество и магнетизм  6.1. Электрический заряд и статическое электричество  6.1.1. Понятие электрического заряда  6.1.2. Зарядка трением, контактом и индукцией  6.1.3. Электроскоп и его работа  6.2. Current Electricity  6.2.1. Понятие электрического тока  6.2.2. Ohm's Law and Resistance  6.2.3. Факторы, влияющие на сопротивление  6.2.4. Последовательные и параллельные схемы  6.2.5. Тепловой эффект электрического тока  6.2.6. Электрическая мощность и энергия  6.3. Магнетизм  6.3.1. Естественные и искусственные магниты  6.3.2. Свойства магнитов  6.3.3. Earth's magnetism  6.3.4. Magnetic field and field lines  6.3.5. Электромагниты и их применение
  7. Современная физика  7.1. структура атома  7.1.1. Atomic Structure and Subatomic Particles  7.1.2. Электроны, протоны и нейтроны  7.1.3. Модель Резерфорда и Бора  7.2. Радиоактивность  7.2.1. Types of radioactive emissions  7.2.2. Период полураспада и радиоактивный распад  7.2.3. Использование и опасности радиации
  8. Space science and astronomy  8.1. Вселенная и ее компоненты  8.1.1. Звезды и галактики  8.1.2. Planets and Solar System  8.2. Спутники  8.2.1. Естественные и искусственные спутники  8.2.2. Использование спутников

Девятый класс → Механика → Work, Energy and Power ↓


Закон сохранения энергии


Закон сохранения энергии — это фундаментальный принцип в физике, который утверждает, что энергия не может быть создана или уничтожена. Вместо этого энергия может только превращаться из одной формы в другую, при этом общее количество энергии в замкнутой системе остается постоянным. Эта концепция важна для понимания того, как энергия работает в различных системах и приложениях в физике.

Понимание энергии

Прежде чем углубляться в закон сохранения энергии, важно понять, что такое энергия. В физике энергия — это способность совершать работу. Она может существовать в форме потенциальной энергии, кинетической энергии, тепловой энергии, химической энергии и многих других форм.

Например, когда вы поднимаете книгу с пола и кладете ее на стол, вы совершаете работу против гравитации и сохраняете энергию в книге в виде гравитационной потенциальной энергии. Если книга падает, эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию по мере увеличения ее скорости.

Формы энергии

Некоторые общие формы энергии:

  • Кинетическая энергия: Это энергия движения. Любой движущийся объект обладает кинетической энергией. Количество кинетической энергии зависит от массы объекта и его скорости. Формула кинетической энергии (KE) задается как: 
    KE = (1/2) * m * v^2
    где m — масса, а v — скорость.
  • Потенциальная энергия: Энергия, сохраненная из-за положения или структуры объекта. Общий тип этой энергии — гравитационная потенциальная энергия, которую можно вычислить по формуле: 
    PE = M * G * H
    где m — масса, g — ускорение свободного падения (9,8 м/с² на Земле), а h — высота относительно точки отсчета.
  • Тепловая энергия: Это связано с температурой объекта и энергией его частиц. Когда вы нагреваете воду, ее частицы движутся быстрее, что увеличивает ее тепловую энергию.
  • Химическая энергия: Содержится в связях химических соединений. Например, еда, которую вы употребляете, содержит химическую энергию, которую ваше тело преобразует для выполнения работы.

Закон сохранения энергии вступает в действие

Теперь давайте посмотрим, как закон сохранения энергии применяется в различных сценариях.

Пример с маятником

Рассмотрим простой маятник. Когда вы отклоняете маятник в сторону, он получает потенциальную энергию из-за своей высоты. В высшей точке потенциальная энергия максимальна, а кинетическая энергия равна нулю, так как он останавливается на краткое мгновение перед тем, как начать обратное движение. Когда он качается вниз, потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию, и маятник движется быстрее до тех пор, пока не достигнет нижней точки. В этот момент кинетическая энергия максимальна, а потенциальная энергия равна нулю.

Если мы пренебрежем воздушным сопротивлением и другими малыми силами, общая энергия останется постоянной во время движения. Она непрерывно меняется между кинетической и потенциальной энергией.

Общая энергия = Потенциальная энергия + Кинетическая энергия = постоянная

Пример с американскими горками

Представьте американские горки. На вершине холма американские горки имеют максимальную потенциальную энергию из-за своей высоты. При спуске эта потенциальная энергия превращается в кинетическую энергию, из-за чего американские горки ускоряются. В нижней части холма максимальная кинетическая энергия и незначительная потенциальная энергия. Поднимаясь на следующий холм, кинетическая энергия снова превращается в потенциальную энергию, из-за чего горки замедляют движение.

Если никакая энергия не теряется из-за трения или воздушного сопротивления, энергия при подъеме и спуске останется в общем постоянной.

Математическое представление

Закон сохранения энергии можно выразить математически следующим образом:

E_initial = E_final

где E_initial — это общая начальная энергия системы, а E_final — общая конечная энергия системы. Это соотношение подразумевает, что любое изменение энергии в системе является просто изменением из одной формы в другую.

Преобразование и сохранение энергии

Преобразование энергии — это процесс изменения энергии из одной формы в другую. Примеры включают:

  • Электрическая в тепловую: Электрический нагреватель преобразует электрическую энергию в тепловую, чтобы нагреть комнату.
  • Химическая в механическую: Двигатели автомобилей преобразуют химическую энергию топлива в механическую энергию, чтобы двигать автомобиль.
  • Солнечная в электрическую: Солнечные панели преобразуют солнечную энергию (солнечную энергию) в электрическую энергию.
потенциальная энергия кинетическая энергия

Применение в реальном мире

Закон сохранения энергии не только теоретический, но и может быть применен в реальном мире в инженерии, технологии и экологической науке. Вот несколько примеров, где применяется этот закон:

  • Энергоэффективные машины: Инженеры разрабатывают машины и двигатели, чтобы минимизировать потери энергии и эффективно использовать доступную энергию. Оптимизируя процессы преобразования энергии, они обеспечивают минимальные потери.
  • Возобновляемые источники энергии: Сохранение энергии является основой функционирования технологий возобновляемой энергии. Например, гидроэлектростанции используют потенциальную энергию воды на высоте, преобразуя ее в электричество, которое может быть использовано в домах.
  • Экологическая наука: Понимание сохранения энергии помогает оценить устойчивость различных источников энергии, снизить потери и более разумно использовать энергетические ресурсы.

Практический пример расчета

Рассмотрим практический пример, связанный с простой физической задачей:

Объект массой 10 кг падает с высоты 20 м. Предполагая отсутствие воздушного сопротивления, вычислите его скорость непосредственно перед тем, как он упадет на землю.

Решение:

Изначально объект имеет только потенциальную энергию:

PE_initial = m * g * h = 10 кг * 9.8 м/с² * 20 м = 1960 Джоулей

По мере его падения потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию, и перед ударом о землю вся потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию:

KE_final = PE_initial = 1960 Дж

Таким образом, найдем скорость, используя формулу кинетической энергии:

KE = (1/2) * m * v^2
        1960 Дж = (1/2) * 10 кг * v^2
        v^2 = 1960 Дж / 5 кг
        v^2 = 392 м²/с²
        v = sqrt(392)
        v ≈ 19,8 м/с

Таким образом, скорость объекта непосредственно перед ударом о землю составляет около 19,8 м/с.

Ограничения и соображения

Хотя закон сохранения энергии является фундаментальным для физики, в реальных сценариях часто возникают сложности, такие как трение, воздушное сопротивление и потери энергии в виде тепла или звука. Эти факторы могут повлиять на сохранение энергии в практических системах.

Например, в реальных американских горках трение между поездом и рельсами, а также сопротивление воздуха преобразуют часть механической энергии в тепловую, которая может быть не полезна для движения горок. Инженеры часто учитывают эти факторы при проектировании систем и пытаются минимизировать потери энергии.

Заключение

Закон сохранения энергии — это основополагающая концепция, которая помогает нам понять окружающий мир и разрабатывать эффективные системы в технологиях и инженерии. Он учит нас важному принципу, что энергия может изменять форму, но общее количество энергии остается постоянным при условии, что энергия не добавляется и не теряется из системы. Это понимание позволяет нам предсказать поведение физических систем и искать решения, оптимизирующие использование энергии, что способствует достижениям в области энергоэффективности и устойчивости.

Простота этого закона заключается в его универсальной применимости, делая его важным инструментом для студентов, ученых и инженеров в исследовании и применении увлекательной динамики энергии.


Девятый класс → 1.4.6


U
username
0%
завершено в Девятый класс

← Предыдущий (1.4.5)
Кинетическая и потенциальная энергия
Следующий (1.4.8) →
Коммерческая единица энергии

Комментарии 



Закон сохранения энергии

https://www.physicsflow.com/g9/1.4.6?pfal=ru