Урок закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах: Конспект урока «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах» | План-конспект урока по физике (8 класс) на тему:

Содержание

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

На одном из первых уроков мы уже затрагивали
явления превращения одной формы энергии в другую. Давайте вспомним некоторые из
них.

В примере с мячом мы выясняли, что при его
падении потенциальная энергия превращалась в кинетическую и наоборот.

Мы говорили и о том, что полная механическая
энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий. Если поверхность
Земли взять за нулевую высоту, то полная механическая энергия будет оставаться
постоянной в каждый момент времени
. Это есть закон сохранения
механической энергии
. Но данный закон справедлив только при отсутствии
сил сопротивления,
таких, как сила трения, например.

Также, мы уже знаем, что остывающее тело
отдаёт ровно столько энергии, сколько получает нагревающееся тело, с которым
оно взаимодействует.

Теперь мы уже знаем, что энергия не просто
превращается, но и сохраняется, какие бы процессы ни происходили.

Для примера, рассмотрим лыжника, который
скатывается с вершины холма.

В начале своего движения он обладал
потенциальной энергией, так как находился на определённой высоте от поверхности
земли. Под действием силы притяжения, он съезжает с холма, набрав при этом некоторую
скорость. В результате, часть потенциальной энергии превратилась в кинетическую
энергию. Также, каким бы скользким ни был снег, присутствие силы трения
неизбежно. В результате часть энергии передастся лыжам, а часть — снегу, с
которым был непосредственный контакт.

Кроме того, существует сила сопротивления воздуха,
которая также способствует потерям энергии.

Другой пример сохранения энергии — это
кипячение воды на костре. Значительная часть тепловой энергии костра передаётся
окружающей среде посредством излучения.

Также, люди, находящиеся рядом с костром, греются,
то есть поглощают энергию. Часть энергии передаётся котлу и воде, которая
нагревается. Часть воды превращается в пар, и в результате конвекции энергия
переносится в верхние слои воздуха. И так далее.

Взятие во внимание всех подобных факторов
приведёт к очень сложным расчётам.

Однако, если эти расчёты будут выполнены
достаточно щепетильно, то мы получим знак точного равенства между суммами
начальной и конечной энергий.

Изучение многих явлений превращения одного
вида энергии в другой привело учёных к открытию одного из главных законов
природы — закона сохранения и превращения энергии. Согласно ему, во
всех явлениях, которые протекают в природе, энергия не возникает из ничего, и
никуда не исчезает. Она только превращается из одного вида в другой так, что её
значение при этом сохраняется.

Для иллюстрации данного закона природы,
рассмотрим превращение энергии, которую приносят нам солнечные лучи.

Все с детства знают, что Солнце является
важнейшим источником света и тепла для нашей планеты. Без солнечной энергии, не
было бы жизни на Земле. И люди, и животные, и растения — все нуждаются в
солнечной энергии.

Большой непрерывный круговорот воды в
природе тоже совершается за счёт энергии Солнца. Вода, с поверхности мирового
океана, испаряется. Образовавшийся пар в результате конвекции переносится в
верхние слои воздуха, где остывая, превращается в облака. Образовавшиеся
облака, гонимые потоками ветра, разносятся в различные места на планете и, в
конце концов, выпадают в виде дождя или снега. Эти осадки питают реки, которые
снова несут свои воды в моря и океаны.

А в растениях, при поглощении ими солнечной
энергии, происходят сложные химические реакции, в результате которых растения
способны вырабатывать кислород, которым мы с вами дышим.

Мы воспринимаем с вами солнечный свет и
тепло как что-то должное и редко задумываемся о том, сколько энергии передаётся
нам от Солнца. А её оказывается очень много. Учёные подсчитали, что для замены
Солнца человечеству бы понадобилось строительство около 30 000 000
мощных электрических станций.

Конечно же мы пытаемся использовать энергию
Солнца в своих целях. Но чтобы детально рассмотреть вопросы, связанные с
использованием солнечной энергии, вам предстоит ещё многое чего изучить.
Поэтому, эту часть урока мы будем считать ознакомительной.

Итак, давайте познакомимся с некоторыми
общеизвестными фактами. Существует так называемая солнечная постоянная — это
интенсивность солнечного излучения, которая определяется мощностью излучаемой
энергии на квадратный метр:

.

Так за 1 с, через площадь в 1 м2
проходит 1367 Дж солнечной энергии. Часть этой энергии поглощается частицами,
находящимися в атмосфере, а часть — отражается и уходит обратно в космическое
пространство. Помимо этого, интенсивность излучения в тех или иных областях
Земли будет зависеть от погоды, от времени суток и от некоторых других
факторов. Так что, средняя интенсивность солнечного излучения составляет примерно
34 Вт/м2. От этого значения мы и будем отталкиваться.

Давайте посчитаем количество солнечной
энергии, которую может собрать солнечная батарея размерами 5 м х 8 м. Значение
этой энергии можно найти:

 Предположим, что средняя продолжительность
светового дня на нашей планете равна 8 ч. Тогда батарея за это время получит:

Для сравнения при сгорании 1 л бензина
выделяется:

Дальше предположим, что при преобразовании
солнечной энергии в электрическую теряется порядка 90% энергии из-за
несовершенства конструкций солнечных батарей:

Но даже при этом, энергии, полученной от
солнца за световой день, хватит на работу 3 стоваттных лампочек в течение почти
четырёх часов.

Конечно, вы можете сказать, что 1 л бензина
стоит значительно дешевле, чем изготовление солнечной батареи, да и работа трёх
лампочек — это не очень-то и впечатляющий показатель. Но, ведь, мы сейчас
рассмотрели использование только одной батареи. А давайте посчитаем, сколько мы
можем получить энергии, если поставим солнечные батареи на крышу дома, площадь
которой порядка двухсот квадратных метров:

Смотрите, получается почти 200 МДж энергии.
Даже, если мы опять предположим, что эффективность солнечных батарей равна 10%:

Этой энергии хватит на то чтобы постирать
белье в стиральной машине, посмотреть фильм по телевизору и обеспечить работу
компьютера более чем на сутки.

Можно привести много примеров, но мы
приведём только один. Германия, будучи далеко не самой солнечной страной мира, за
май 2014 г. используя солнечные батареи выработала около 5 ТВт-ч электроэнергии.
Для сравнения, такое количество электроэнергии потребляет целый район
многоквартирных домов за 10 лет.

А теперь, давайте рассмотрим, какие есть
недостатки и достоинства использования солнечной энергии. Очевидное и важнейшее
достоинство солнечной энергии — это то, что для нас Солнце является
неисчерпаемым источником энергии. Что бы ни случилось, Солнце светит каждый
день, и каждый день мы можем получать от него энергию.

Второе очень важное достоинство этого
источника — это общедоступность. Ведь Солнце светит везде и всюду, поэтому,
любой человек может использовать эту энергию. В отличие от нефти, газа,
каменного угля и других ископаемых, солнечную энергию добывать не нужно.

Ну и, конечно, нельзя не упомянуть о том,
что использование солнечной энергии никак не загрязняет окружающую среду.
Сегодня проблема экологии стоит довольно остро, поэтому именно сегодня нам
стоит задуматься о природных источниках энергии.

Но, в использовании солнечной энергии есть
определённые сложности. Во-первых, такой источник всегда зависит от погоды и от
времени суток. Во-вторых, сама солнечная батарея — это довольно дорогая
конструкция из-за применения в её конструкции редкоземельных металлов, таких, как,
например, индий или теллур.

Однако использование альтернативных
источников энергии рано или поздно придётся внедрить, поскольку на данный
момент, человечество живёт за счёт использования ресурсов планеты, которые,
увы, не вечны.

Урок в 8 классе. Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Урок №11 Дата________

Тема урока: «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах».

Цели урока:

Предметный компонент:

  1. Сформировать знания о законе сохранения энергии для тепловых процессов.

  2. Показать универсальность закона сохранения энергии на примере механических и тепловых процессов.

  3. Совершенствовать навыки решения задач с использованием закона сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

  4. Продолжить формирование умения учащихся применять изученные формулы и законы в знакомой и измененной ситуациях.

Над предметный компонент:

  1. Развивать познавательную активность учащихся посредством постановки проблемных экспериментов и вопросов.

  2. Показать взаимосвязь теории и эксперимента как критерия истины.

  3. Совершенствовать умения наблюдать, выдвигать гипотезы и проверять их, используя физическое оборудование.

Тип урока: урок углубления знаний

Демонстрации:

  1. Демонстрация перехода механической энергии во внутреннюю с помощью маятника Максвелла.

  2. Демонстрация перехода внутренней энергии в механическую с помощью виртуального эксперимента.

  3. Горение свечи.

Учебно-методическое обеспечение: Маршрутная карта для выполнения экспериментальных мини-проектов.

Технические средства обучения:

  • маятник Максвелла;

  • блюдце с водой, свеча, стакан, монета;

  • демонстрационный термометр;

  • компьютер;

  • мультимедийный проектор.

Ход урока.

  1. Мотивация учебной деятельности и формулирование цели урока.

В природе много тайн. А физика – это наука о природе, разгадавшая больше загадок мироздания, чем любая другая. И я предлагаю Вам приоткрыть одну из таких тайн.

Жажда открытий была главной движущей силой, «действующей» на ученых в их очень трудном, но и самом интересном деле – поиске истины.

Есть удивительные законы и один из них – закон сохранения энергии. Многие ученые посвятили жизнь изучению этого закона, а мы с Вами еще посмотрим, как он влияет на нашу жизнь. Попробуем понять, почему он необходим нам в повседневной жизнедеятельности.

Эпиграфом к нашему уроку будут слова немецкого поэта Иоганна Гете:

«Опыт – вот учитель жизни вечной».

Запишите тему урока: «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах».

  1. Актуализация знаний. Углубление изученного материала.

Сегодня мне хотелось бы вспомнить слова выдающегося немецкого философа Иммануила Канта: «Без сомнения, все наше знание начинается с опыта». Опыт предполагает самостоятельность поиска знаний. А что такое опыт объясняет другой древнегреческий мудрец Сократ:

«Скажи мне, и я забуду.

Покажи мне, и я запомню.

Дай сделать мне, и я пойму».

Сейчас я предлагаю Вам самим сделать открытие. Начинаем наше научное волшебство.

Опыт «Сухим из воды»

Перед Вами на столе стоит оборудование. Необходимо монету достать сухой из воды. Как это можно сделать? Кто из Вас догадался?

Учащиеся высказывают предположения.

Какое предложение Вам понравилось больше всего?

Учащиеся высказываются

Подводя итоги всему, мы можем установить алгоритм действий.

  • В центр блюдечка с налитой водой помещаем свечу.

  • Зажигаем свечу.

  • Пустым стаканом накрываем горящую свечу.

Заканчиваем работу. Что мы с Вами наблюдаем?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Через некоторое время свеча гаснет. Вода как бы «втягивается» стаканом и вскоре собирается под ним, обнажив дно тарелки.

Учитель: Чудеса? Нет, физика! Сейчас потребуются умы, умеющие объяснять наблюдаемые явления с научной точки зрения. Давайте попробуем объяснить результаты опыта. Я помогу Вам, задавая наводящие вопросы.

Что представляет собой процесс горения?

Учащиеся (предполагаемый ответ): В процессе горения каждый атом углерода, содержащийся в топливе, соединяется с двумя атомами кислорода, содержащимися в воздухе. При этом образуется молекула углекислого газа и выделяется энергия в виде тепла.

Учитель: Почему свеча гаснет? Какое условие горения нарушается?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Недостаток кислорода.

Учитель: Итак, топливо – это вещество, при сгорании которого выделяется большое количество теплоты. Откуда внутри топлива взялась энергия?

Учащиеся (предполагаемый ответ): В некоторых веществах под действием света происходят различные химические реакции, т.е. происходит превращение лучистой энергии в фотохимическую.

Одним из примеров такой реакции является фотосинтез.

Часть энергии солнечных лучей поглощается листьями растений. В процессе фотосинтеза растительный мир пополняет свою внутреннюю энергию за счет энергии излучения Солнца. А в результате горения окаменевших остатков растений (каменного угля) внутренняя энергия топлива преобразуется в тепловую энергию.

Почему вода собирается внутри стакана? Объясните физику процесса.

Учащиеся (предполагаемый ответ): При приближении стакана к зажженной свече, содержащийся в нем воздух нагрелся, расширился, и часть его вышла наружу. Как только был израсходован весь содержащийся в стакане кислород, свеча погасла. Воздух в стакане в результате теплообмена стал охлаждаться, а его давление уменьшаться. Вода под стаканом испытывает меньшее давление, чем в открытой части тарелки. Под действием атмосферного давления вода вдавливается под стакан извне.

Учитель: Теперь, когда Вам известна причина происходящих здесь явлений, видоизмените этот опыт так, чтобы не пользоваться горящей свечой. Опыт должен получиться столь же хорошо. Что Вам для этого понадобится и что необходимо будет сделать?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Понадобится горячая вода и достаточно будет сполоснуть стакан ею.

Учитель: Вы можете удивить этим опытом своих родственников: выпив чаю, опрокиньте стакан, пока он еще горяч, над блюдцем, в котором заранее налито немного остывшего чаю. И вы станете волшебниками.

Мне нравится, что в этом опыте задействована свеча. Свеча – вечный спутник человека по дороге жизни. Она – символ добра, надежды, самопожертвования, символ человеческой души. Недаром выдающийся английский физик Майкл Фарадей как-то сказал: «Чтобы согреть других, свеча должна сгореть».

Мы привели с Вами только один из множества примеров превращения лучистой (солнечной) энергии в тепловую. А какие еще превращения энергии бывают? Чтобы ответить на этот вопрос обратимся к следующему демонстрационному эксперименту.

Перед Вами маятник Максвелла: твердое тело, подвешенное на двух нитях, и способное вращаться вокруг своей оси. Проделаем с ним эксперимент: поднимем маятник до крайнего верхнего положения и отпустим его. Маятник начинает двигаться.

Какими энергиями обладает маятник в крайних верхнем и нижнем положениях?

Учащиеся (предполагаемый ответ): В крайней верхней точке маятник обладает только потенциальной энергией, т.к. он поднят на некоторую высоту над нулевым уровнем. Кинетическая энергия равна нулю, т.к. маятник неподвижен.

В крайней нижней точке траектории потенциальная энергия равна нулю, а кинетическая энергия движущегося тела максимальна.

Учитель: Какие превращения энергии происходят при вращении маятника?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Происходят взаимные превращения потенциальной энергии взаимодействия маятника с Землей в кинетическую энергию движения маятника и наоборот.

Учитель: Что произойдет с маятником через некоторое время?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Маятник остановится.

Учитель: Чему будет равна полная механическая энергия маятника?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Полная механическая энергия маятника равна нулю.

Учитель: Неужели энергия «исчезла»? Я предлагаю Вам выдвинуть гипотезу (предположение).

Учащиеся (предполагаемый ответ): Механическая энергия преобразовалась во внутреннюю.

Учитель: Итак, мы выдвигаем с Вами гипотезу: механическая энергия не исчезла. Она перешла в другой вид энергии. Чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, вспомним, что называется внутренней энергией тела?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Внутренняя энергия – это скалярная физическая величина равная сумме кинетической энергии теплового движения молекул и потенциальной энергии взаимодействия молекул между собой.

Учитель: Благодаря каким силам механическая энергия маятника преобразуется во внутреннюю?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Механическая энергия маятника преобразуется во внутреннюю благодаря действию сил трения, т.к. при движении на тело действует сила сопротивления со стороны воздуха.

Учитель: Внутренняя энергия каких тел увеличивается при движении маятника? Почему?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Увеличивается внутренняя энергия воздуха, окружающего маятник, и твердого тела, т.к. при движении, в результате действия сил трения, взаимодействующие тела нагреваются.

Учитель: С целью узнать, а возможен ли обратный процесс превращения внутренней энергии в механическую, обратимся к виртуальному эксперименту.

А теперь посмотрим еще один эксперимент.

Закрытую пробирку с воздухом поместим в горячую воду. Почему через некоторое время пробка вылетает из пробирки?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Воздух в пробирке нагревается. Кинетическая и потенциальная энергия молекул воздуха увеличивается, следовательно, увеличивается его внутренняя энергия. При расширении воздух толкает пробку, и она вылетает из пробирки.

Учитель: Действительно, внутренняя энергия воздуха превращается в механическую энергию пробки.

Из всех поставленных экспериментов какой вывод можно сделать?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Энергия не исчезает и не появляется вновь. Она только переходит от одного тела к другому или из одного вида в другой.

А теперь все, что мы открыли, зафиксируем в тетради. Запишите формулировку всеобщего закона природы:

Во всех явлениях, происходящих в природе, энергия не исчезает и не появляется вновь. Она только переходит от одного тела к другому или из одного вида в другой, при этом ее значение сохраняется.

Учитель: И опять вернемся к маятнику Максвелла. Посмотрим, как можно применить закон сохранения энергии к решению экспериментальных задач.

Оценим, на сколько нагрелось стальное твердое тело в опыте. По какой формуле это можно сделать?

Учащиеся (предполагаемый ответ): По формуле расчета количества теплоты, необходимого для нагревания тела:

Q = c ∙ m ∙ ∆t (1)

Учитель: За счет какой энергии происходило нагревание?

Учащиеся (предполагаемый ответ): За счет изменения потенциальной энергии.

Учитель: Можно сделать вывод: суммарное изменение потенциальной энергии тела будет равно изменению его внутренней энергии. Как найти изменение потенциальной энергии тела?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Е = m ∙ g ∙ h

Учитель: Но маятник опустился и поднялся N-раз. Тогда необходимо уточнить формулу для расчета изменения потенциальной энергии. Сделайте это.

Учащиеся (предполагаемый ответ): Е = N ∙ m ∙ g ∙ h

Учитель: Но, решая так, мы допускаем значительную погрешность. Подумайте, ведь при последующих подъемах маятник не достигает первоначальной высоты. И я вам подскажу, какую же высоту необходимо взять для расчетов в этом случае. Надо взять среднюю высоту h/2.

(2)

А теперь применим закон сохранения энергии. Он устанавливает, что энергия не исчезает и не создается. Она только превращается из одного вида в другой или переходит от одного тела к другому, при этом ее значение сохраняется. Так как же дальше решается задача?

Учащиеся (предполагаемый ответ): В уравнениях (1) и (2) левые части равны, т.е. Q = ∆Е значит, равны и правые. Тогда:

Учитель: Измерения дают следующие значения физических величин:

h = 0,32 м, N = 70, с=500 Дж / (кг ∙ ℃)

Я предлагаю Вам самостоятельно выполнить вычисления и дать количественный ответ.

Учащиеся (предполагаемый ответ): ∆𝐭 ≈ 𝟎, 𝟐 ℃

Учитель: Законы не открываются сами по себе, их открывают люди. Не случайно бельгийский поэт Эмиль Верхарн сказал:

«Да святы будут те, кто в творческом пылу, Исследуя весь мир, открыли в нем законы».

Вот о таких людях мы и поговорим.

Закон сохранения энергии был открыт экспериментальным путем независимо друг от друга тремя учеными: Робертом Майером (немецкий физик и врач), Джеймсом Прескоттом Джоулем (английский физик) и Германом Гельмгольцем (немецкий ученый).

Почти за сто лет к открытию этого закона очень близко подошел выдающийся русский ученый Михаил Васильевич Ломоносов.

Однажды Роберт Майер услышал от моряка, что во время сильной бури вода нагревается. Эти слова его заинтересовали. А в 1840 году судно, на котором работал Майер судовым врачом, стояло у берегов тропического острова Ява. Одному из матросов от жары стало плохо. Желая помочь, Майер вскрывает ему вену, чтобы уменьшить избыточное кровяное давление (тогда такой прием был распространен). И, к своему ужасу, обнаруживает, что вместо темной крови потекла алая.

Испуг врача объяснялся тем, что алая кровь течет в артериях. Своим цветом она обязана высокому содержанию кислорода: это «свежая» кровь, которая только что омыла легкие. А по венам кровь течет уже после того, как она разнесла кислород по телу. В венозной крови кислорода мало, поэтому она темно-красная. Для кровопускания можно вскрывать только вену – кровотечение же из артерии смертельно опасно.

К счастью, Майер не ошибся: он вскрыл больному вену. Но ученый задался вопросом: почему же в вене течет алая кровь? Удивление Майера усилилось, когда местные врачи сказали ему, что здесь это – обычное явление: в тропиках венозная кровь у людей такая же алая, как и артериальная.

А как бы Вы ответили на вопрос с точки зрения физики? Почему у людей, живущих в тропиках, в вене течет алая кровь?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Температура воздуха почти равна температуре человеческого тела. Организму не нужно расходовать энергию на поддержание температуры тела, поэтому кислород остается в крови – ведь энергию дает именно сгорание кислорода. А это значит, что энергия сохраняется: она только превращается из одного вида в другой, но никогда не исчезает и не появляется из ничего.

  1. Совершенствование знаний, умений и навыков.

Учитель: В начале урока я говорила Вам о том, что физические законы имеют прямое отношение к нам – людям. Я предлагаю Вам убедиться в этом.

Человек как биологическое существо также получает энергию и взаимодействует с внешней средой посредством передачи энергии и вещества.

Что же является для нас топливом?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Роль топлива играет пища.

Учитель: Действительно, энергия, за счет которой поддерживаются обменные функции организма человека, выделяется в ходе химических реакций окисления, содержащихся в пище углеводов, белков и жиров.

Мы с Вами мало зависим от внешних источников тепла, т.к. благодаря высокой интенсивности обмена веществ вырабатывается достаточное количество тепла, которое может сохраняться.

Как известно, разные виды пищи, как и разные виды топлива, содержат различный запас энергии. Посмотрите на таблицу №1. Зная удельную теплоту сгорания пищевых продуктов и массу нашего тела, можно рассчитать количество теплоты, которое выделяется в результате распада и окисления белков, жиров и углеводов, в клетках организма с высвобождением скрытой в них внутренней энергии.

Какие продукты, из приведенных в таблице, обладают наибольшей удельной теплотой сгорания?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Удельная теплота сгорания сливочного масла 31,5МДж/кг, а удельная теплота сгорания шоколада 20 МДж/кг.

Учитель: Что означает это число?

Учащиеся (предполагаемый ответ): Если съесть 1 кг шоколада, то выделится 20МДж теплоты.

Учитель: Какова же математическая запись закона сохранения энергии для человека? Я помогу Вам ответить на этот вопрос. Сейчас мы запишем формулу, позволяющую рассчитать, чему равно изменение внутренней энергии человека:

U = Qпищи − Qтеплообмена – Ат

Эта формула позволит каждому из Вас контролировать получение и расходование энергии при выполнении любого действия.

Я предлагаю Вам прямо сейчас, используя маршрутные карты, рассчитать:

    • первому варианту: количество теплоты, отдаваемого Вашим организмом в окружающую среду;

    • второму варианту: количество энергии, затраченной на урок физики.

  1. Работа учащихся по вариантам.

Экспериментальный мини-проект

Задание №1 Определите количество теплоты, отдаваемого организмом в окружающую среду

  • Зная массу (m) и температуру Вашего тела (tт), рассчитайте количество теплоты, которое отдает тело в окружающее пространство:

Q = cт ∙ m ∙ (tт − tв)

ст0,8 ∙ св, где св = 4200Дж/(кг·ºС)

Задание №2 Определение количества энергии, затраченной на урок физики

  • Рассчитайте свои энергетические затраты за занятие (приблизительно, приняв свою массу равной 70 кг). Длительность урока 30 минут.

  • Применив знания элементарной математики, оцените, сколько шоколада Вам нужно съесть, чтобы восполнить энергию, которую Вы затратили за 30 минут занятия.

Учитель: А теперь подведем итог наших расчетов. Назовем несколько результатов.

Учащиеся озвучивают результаты.

Учитель: Вы убедились, что расход энергии у каждого свой, т.к. все мы уникальны. И правила расхода энергии позволяют нам сохранять здоровье. Я от всей души желаю нам всем здоровья.

  1. Подведение итогов занятия. Домашнее задание.

Наш урок подходит к концу. Мы с Вами в очень активной форме изучили всеобщий закон сохранения энергии, вспомнили основные формулы. Вы учились применять свои знания в новых ситуациях. И у Вас это получилось.

Что нового Вы узнали сегодня на уроке? Чему научились?

Учащиеся высказываются

Наше занятие я хотела бы закончить притчей о Мастере и ученике. Похожую питчу я рассказывала на прошлом уроке, но как говорится повторение мать учения.

В старинном городе жил Мастер, окруженный учениками. Самый способный из них однажды задумался: «А есть ли вопрос, на который наш Мастер не смог бы ответить?».

Он пошел на цветущий луг, поймал самую красивую бабочку и спрятал ее между ладонями. Бабочка цеплялась за его руки, и ученику было щекотно. Улыбаясь, он подошел к Мастеру и спросил:

  • Скажите, какая бабочка у меня в руках, живая или мертвая?

Он крепко держал бабочку в сомкнутых ладонях и готов был в любое мгновение раскрыть или сжать их ради своей истины.

Не глядя на ученика, Мастер ответил:

Сейчас перед каждым из Вас на столе сидит самая маленькая и самая красивая бабочка. Возьмите ее.

Она Ваша… Она в Ваших руках… Всѐ в Ваших руках…

Ведь Вы сами строите свою жизнь и все, что в ней случается. Ваша успешность будет во многом зависеть, от тех знаний, которые Вы получите. А знания – это великая сила. Все наши открытия в наших руках.

  1. Домашнее задание:

Урок «Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах»



Цели урока:

1. дидактическая (образовательная)

  • обеспечить в ходе урока закрепление ранее
    изученных видов энергии: кинетической,
    потенциальной, внутренней.
  • выяснить физическое содержание закона
    сохранения энергии в механических и тепловых
    процессах.

2. воспитательная

  • при рассмотрении конкретных примеров
    превращения одного вида энергии в другой
    продолжить формирование мировоззрения учащихся,
    указать познаваемость мира и его закономерности.
  • в процессе работы на уроке развивать чувство
    коллективизма, ответственности и навыки
    самостоятельного труда.

3. развивающая

  • в целях развития мышления учащихся научить
    выделять главное в тексте, сравнивать и выявлять
    общее и отличительное в изучаемых явлениях. – в
    целях развития познавательного интереса
    привести интересные исторические справки об
    учёных открывших закон сохранения и превращения
    энергии. – развитие самостоятельности,
    усидчивости и трудолюбия.



Тип урока: комбинированный.



Девиз урока: получить нечто из ничего!

Методы обучения: словесный, наглядный,
репродуктивный, поисковый.



Содержание урока: тема урока не сообщается,
учитель задаёт вопрос: “Что такое perpetuum mobile?”…
Давайте разберёмся вместе.

  1. Проверка знаний по пройденному материалу
    (фронтальный опрос) :
  2. Работа двигателей
    подразумевает использование топлива.

– напишите формулу горения топлива;

– как вычисляют количество теплоты, выделяемое
при сгорании топлива?

– что такое удельная теплота сгорания топлива?

– по таблице 2 (стр. 26) назовите более
экономичные виды топлива, более экологически
чистые.

Энергия топлива превращается в механическую
энергию, т.о. речь сегодня на уроке пойдёт о
превращениях одного вида энергии в другой.

2. Совместное составление обобщающей схемы:

превращения энергии в механических и тепловых
процессах.



в механических процессах

Опыт с
маятником Максвелла

Екин –– Епот –– Екин…, но Е = Екин + Епот = const

(если действуют Fупр и Fтяг)

пример: полёт мяча

Вывод: кинетическая и потенциальная энергии
преврящаются друг в друга.

в тепловых процессах

1. из пар.2
(падение свинцового шара на свинцовую плиту) Екин
–– Епот

2. теплообмен (горячее тело отдаёт Q, а холодное
получает)

Q1 = Q2—условие теплообмена

3. тепловые двигатели: Евнутр –– Емех

Вывод: механическая и внутренняя энергии
превращаются друг в друга.

Закон сохранения и превращения энергии

Во всех явлениях природы, энергия не возникает
и не исчезает. Она только превращается из одного
вида в другой, при этом её значение сохраняется.

(Деятельность учащихся при заполнении схемы:
повторение пройденного материала,
проговаривание выводов, рассмотрение примеров)



3. Историческая справка: (сообщение
учащегося)

закон сохранения энергии был открыт в середине
19 века немецким учёным Р.Майером, английским
учёным Д.Джоулем и получил наиболее
точную формулировку в трудах немецкого учёного
Г.Гельмгольца. Джоуль первым осуществил точные
измерения механического эквивалента теплоты.
Опыты Джоуля доказали, что механическая энергия
не пропадает бесследно. Опускаются гири,
вращающие лопасти в сосуде с ртутью, и
температура ртути повышается на строго
определённое число градусов. Во время пребывания
в тропиках в качестве судового врача Майер при
эпидемии легочных заболеваний лечил моряков
обычным в то время методом: обильным
кровопусканием из вены руки. Он обратил внимание
на то, что цвет венозной крови значительно
светлее, чем при плавании в северных широтах. Её
можно спутать с артериальной. Между разностью
температур тела и окружающей средой и степенью
окисления крови существовала очевидная связь.
Отсюда Майер сделал вывод о связи между
потреблением пищи и образованием теплоты в
организме. Гельмгольц впервые математически
обосновал закон сохранения энергии.
Проанализировав большинство известных в то
время физических явлений, он показал его
всеобщность.

4. Самостоятельная работа по учебнику.

Исследуя явления природы, учёные всегда
руководствуются этим законом. Теперь мы можем
сказать, что энергия не может появиться у тела,
если оно не получило её от другого тела. В пар. 11
найдите несколько примеров иллюстрации этого
закона (в какие виды энергии превращается
энергия солнечных лучей?)

5. Закрепление.

а) работа в группах. Задание: опишите
превращение энергии по рисункам. (см. приложения)

б) работа у доски. Задание: по составленной
схеме опишите превращение энергии в
механических и тепловых процессах.

в) вопросы классу: можно ли создать вечный
двигатель? можно ли получить нечто из ничего?

6.Домашнее задание.

Пар. 11; Упр. 6; по желанию индивидуальные
карточки с уровневыми задачами.

7. Итоги урока.

Выводы о проделанной работе, оценки учеников,
краткая перспектива на следующий урок.

3. Сохранение энергии в тепловых процессах. Уравнение теплового баланса

Закон сохранения энергии сыграл решающую роль в развитии науки в различных направлениях.

Над развитием и применением закона сохранения и превращения энергии много работал У. Дж. М. Ранкин.

 

Уильям Джон Макуорн Ранкин (Ренкин)

 

Ранкин первым начал широко применять термин «энергия» и попытался дать этому понятию общее определение. Под энергией системы вслед за Ранкиным стали понимать её способность производить работу.

Ранкин писал:

Термин «энергия» предполагает любое состояние субстанции, которое заключается в способности производить работу; количество энергии измеряется количеством работы, которую она способна произвести.

Французский математик и физик Ж. Б. Фурье установил один из основных законов теплопроводности — односторонний переход теплоты от более нагретого тела к менее нагретому.

 

Жан Батист Жозеф Фурье

 

При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно (т.е. во времени!) выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие естественным образом (без участия внешних сил) тепловые процессы необратимы.

Второе, не менее важное открытие принадлежит С. Карно, который изучал проблему использования теплоты (тепловой энергии) через преобразование её в механическую энергию для производства рабо­ты в тепловых двигателях. Результаты своих исследований он изложил в сочинении «Размышления о движущей силе, огне и о машинах, способных развивать эту силу».

 

Николя Леонар Сади Карно

 

Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

 

Обрати внимание!

При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом (телами), равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом (телами) (если нет потерь теплоты):

 

Qотд=Qполуч.

 

Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

Урок по физике в 8 классе Вечный закон природы, открытый людьми.

(Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах).

 Учитель физики МБОУ СОШ №1 г. Воткинска Удмуртской Республики Н.В. Шкляева

Цели и задачи урока:

Обучающие:

обобщить и систематизировать знания по теме «Тепловые явления»

повторить пройденный материал

подготовить учащихся к предстоящей контрольной работе

Развивающие:

развивать креативность проблемного мышления для решения познавательных заданий

развивать теоретическое мышление, умение действовать самостоятельно и работать в группе

развивать способности учащихся выдвигать гипотезы, выражать грамотно свои мысли вслух

Воспитательные:

показать, что знание основ физики необходимо каждому, что физика повсюду вокруг нас

способствовать воспитанию у школьников культуры исследовательского труда, воспитанию навыков коммуникативного общения

необычной формой урока продолжить формирование положительных мотиваций к учебе и повысить рост интереса к знаниям

создать эмоциональные условия для самоутверждения личности и веры в свои собственные силы.

Ход урока: ИД. Кадр 1

К доске приглашаются 2 ученика и им выдается 5 конфет. Просьба поделить их между собой. У одного 2 конфеты, у другого — 3. Сумма – 5. Прошу поделить конфеты по-другому. Сумма 5. У одного убыло, у другого прибыло. Выполняется закон сохранения конфет.

    Выберите из списка примеры выполнения закона сохранения в механических процессах. Какая энергия уменьшается, а какая – увеличивается? При любом превращении полная энергия остается постоянной. ИД. Кадр2

      Вы уже изучили некоторые тепловые явления. Проверим, выполняется ли закон сохранения энергии в тепловых процессах? ИД кадр 3. Запишите тему урока:

        Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах.

        Ответьте на вопросы: в чай опустили чайную ложку.

        Как изменилась внутренняя энергия ложки?

        Как изменилась внутренняя энергия чая?

        Как изменилась внутренняя энергия системы «ложка – чай»? (в лабораторной работе был получен вывод о равенстве количеств теплоты. У некоторых получилось, что Qгор> Qхол). Куда делась часть теплоты?

        Каким способом передавалась энергия от чая к ложке?

        Как еще можно изменить внутреннюю энергию тела?

        Выполните ОПЫТ 1: нагрейте монету. Убедитесь, что монета нагрелась, т.е. ее внутренняя энергия увеличилась. Монета сама совершила работу или Вам пришлось потрудиться?

          ИД Кадр 4 Чтобы Вам согреться, что необходимо сделать? (из отдельных слов соберите предложение)

          Внутренняя энергия может изменяться только под влиянием внешних воздействий, то есть в результате сообщения системе количества теплоты Q и совершения над ней работы А:

          Какие превращения энергии происходят в следующих ситуациях:

          спортсмен перед стартом делает разминку

          работающей мельнице некогда замерзать

          велосипедный насос при работе нагревается

          ветер разжигает огонь

          водопад льдом не покроется

          метеорит сгорает в плотных слоях атмосферы

          ИД Кадр 5

          Рассмотреть примеры: 1. Куда нужно поставить вентилятор, чтобы нагреть комнату, если батареи отопления дают мало тепла?

          2. Когда человек болеет, у него поднимается температура, и увеличивается внутренняя энергия. Человек принимает лекарства, понижающие температуру, вызывающие потоотделение. Количество теплоты отрицательно, так как тепло отдаётся. Температура снижается до нормальной температуры.

          5. Провести опыт Задание к опыту № 1:
          1. Перевернуть пробирку вверх дном.
          2. Осторожно нажимая на пробирку, выдавить из картофеля кружок (пробку) так, чтобы

          пробирка плотно закрылась картофельной пробкой.
          3. Перевернуть пробирку вниз донышком и опустить ее в горячую воду.
          4. Пронаблюдать происходящий процесс.
          5. Сделать вывод, используя ответы на вопросы:

          Что произошло с внутренней энергией воздуха в пробирке, когда ее опустили в воду?

          К чему привело изменение внутренней энергии воздуха?

          Что произошло с внутренней энергией воздуха в пробирке после вылета пробки?

          ИД Кадр 6. С помощью опыта мы получили вывод о том, что теплом, подведенным к телу, можно не только нагреть тело, но и совершить работу

          Это устройство для получения механической работы за счет теплоты называется тепловым двигателем.

          Нельзя построить двигатель, который бы совершал работу большую, чем та энергия, которая подводится к двигателю из вне .

          6 . Распределите картинки согласно формуле Q= ∆U+Aт. ИД Кадр 7.

          Выстрел из пистолета, свисток в чайнике, хранение баллончиков, нагревание факелом, приготовление пищи. В каком случае мы имеем тепловой двигатель?

           

          На этом принципе основана работа оружия. Но одно единственное движение это не все, что необходимо, т.к. это процесс кратковременный и не приводит к длительному движению. Т.е. нужно, чтобы процесс продолжался. А продолжить его можно, если повторять процесс перехода внутренней энергии в механическую энергию. Чтобы процесс мог повториться всю систему нужно перевести в исходное состояние. Для изучения такой возможности выполним опыт № 2.

          7. чтобы тепловой двигатель работал циклично, нужно научиться возвращать его обратно в исходное положение. Опыт 2 Задание к опыту № 2:

          В U-образную трубку налить примерно до половины воду.

          Одно колено трубки соединить с колбой, а в другое поместить поплавок.

          Нагреть колбу, погрузив в сосуд с горячей водой. Пронаблюдать результат.

          Охладить колбу, погрузив в сосуд с холодной водой. Пронаблюдать результат.

          Сделать вывод.

          При нагревании колбы в горячей воде, воздух расширяется и выталкивает воду из U – образной трубки и поплавок поднимается.

          Если опустить колбу в холодную воду, то воздух снова сжимается. Процесс можно повторить.

          ИД Кадр 8.

          . Этот закон говорит о том, что любая машина (любой двигатель) может совершать работу только за счет получения извне некоторого количества теплоты или уменьшения своей внутренней энергии. Многие изобретатели пытались построить машины, которые совершали бы работу, не тратя никакой энергии. Эти машины назывались вечными двигателями первого рода. 

           

          8. Первые тепловые двигатели были паровыми. Сначала появились автомобили, ИД Кадр 9

          Затем паровозы ИД Кадр 10. Позднее ДВС , ИД Кадр 11 и реактивные двигатели .

          Турбореактивный двигатель КиМ 8 класс просмотр фрагмента

          9. Рефлексия. Рассмотрите рисунок .Сформулируйте великий закон природы — закон превращения энергии, который является составной частью закона сохранения энергии ИД Кадр 12

          10. ДЗ п.11, составить рассказ по рисункам, найти примеры вечных двигателей, сделать презентацию или рисунок, показать несостоятельность вечных двигателей. ИД Кадр 13

           

          Дополнительный материал.

          При движении тел в воздухе с небольшими скоростями, например, при движении брошенного камня, сопротивление воздуха невелико, на преодоление сил трения затрачивается небольшая работа, и камень практически не нагревается. Но быстро летящая пуля разогревается значительно сильнее. При больших скоростях реактивных самолетов приходится уже принимать специальные меры для уменьшения нагревания обшивки самолета. Мелкие метеориты, влетающие с огромными скоростями (десятки километров в секунду) в атмосферу Земли, испытывают такую большую силу сопротивления среды, что полностью сгорают в атмосфере. Нагревание в атмосфере искусственного спутника Земли, возвращающегося на Землю, так велико, что на нем приходится устанавливать специальную тепловую защиту.

          при торможении поезда тормозные колодки сильно нагреваются. При спуске корабля со стапелей на воду для уменьшения трения стапеля обильно смазываются, и все же нагревание так велико, что смазка дымится, а иногда даже загорается.

          при торможении поезда уменьшение его кинетической энергии сопровождается увеличением внутренней энергии тормозных колодок, бандаж колес, рельсов, окружающего воздуха и т. д. в результат нагревания этих тел. Все сказанное относится также и к тем случаям, когда силы трения возникают внутри тела, например, при разминании куска воска, при неупругом ударе свинцовых шаров, при перегибании куска проволоки.

          Сверла и пилы нагреваются при работе с ними.

          Хотя общее количество энергии остается постоянным, количество полезной для нас энергии может уменьшаться и в действительности постоянно уменьшается. Переход энергии в другую форму может означать переход ее в бесполезную для нас форму. В механике чаще всего это — нагревание окружающей среды, трущихся поверхностей и т. п. Такие потери не только невыгодны, но и вредно отзываются на самих механизмах; так, во избежание перегревания приходится специально охлаждать трущиеся части механизмов.

          Провести опыт Задание к опыту № 1:
          1. Перевернуть пробирку вверх дном.
          2. Осторожно нажимая на пробирку, выдавить из картофеля кружок (пробку) так, чтобы

          пробирка плотно закрылась картофельной пробкой.
          3. Перевернуть пробирку вниз донышком и опустить ее в горячую воду.
          4. Пронаблюдать происходящий процесс.
          5. Сделать вывод, используя ответы на вопросы:

          Что произошло с внутренней энергией воздуха в пробирке, когда ее опустили в воду?

          К чему привело изменение внутренней энергии воздуха?

          Какие превращения энергии происходят в следующих ситуациях:

          спортсмен перед стартом делает разминку

          работающей мельнице некогда замерзать

          велосипедный насос при работе нагревается

          ветер разжигает огонь

          водопад льдом не покроется

          метеорит сгорает в плотных слоях атмосферы

          Закон сохранения и превращения энергии в механических и тепловых процессах

          Немного ранее мы уже рассматривали некоторые явления превращения энергии в механических процессах. Освежим наши знания. Подбрасывая в небо какой-либо предмет (камень или мяч), мы сообщаем ему энергию движения, или другими словами кинетическую энергию. Поднявшись до определенного уровня высоты, движение предмета замедляется, после чего происходит падение. В момент остановки, (когда движение предмета прекратилось в верхней точке) вся кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию.

          Во время подобных превращений сумма кинетической и потенциальной энергии остается неизменяемой. Если принять, что потенциальная энергия возле поверхности Земли равняется нулю, сумма кинетической энергии, вместе с потенциальной энергией тела на абсолютно любой высоте во время подъема или падения будет равна: E = Ek + En

          Делаем вывод: общая сумма потенциальной и кинетической энергии тела остается неизменной, если действуют только силы упругости и тяготения, а сила трения отсутствует. Это и есть закон сохранения механической энергии.

          Когда мы проводили эксперимент с падением свинцового шара на плиту, мы наблюдали, как механическая энергия превращалась во внутреннюю энергию. Таким образом, такие виды энергии как механическая и внутренняя, могут переходить из одного тела в другое.

          Подобный вывод относится ко всем тепловым процессам. Во время теплопередачи, к примеру, тело которое нагрето сильнее, отдает энергию, в то же время когда менее нагретое тело ее только получает.

          Во время процесса переработки двигателем машины топлива, внутренняя энергия топлива преобразуется в механическую энергию движения. Когда энергия переходит из одного тела в другое, или когда один вид энергии превращается в другой, энергия всегда сохраняется.

          Изучение явлений, которые относятся к превращениям одного вида энергии в абсолютно другой, привело к открытию одного из главных законов природы – закона сохранения и превращения энергии.

          В любом природном явлении, энергия не может возникнуть или исчезнуть просто так. Она просто переходит из одного вида в другой, при этом ее значение всегда сохраняется.

          Когда ученые исследовали различные природные явления, они всегда опирались на этот закон. Теперь, мы можем сделать важный вывод: энергия не может возникнуть у тела, если оно не получила ее от какого-нибудь другого тела. Приведем несколько примеров для лучшего уяснения материала.

          Лучи Солнца содержат в себе определенный запас энергии. Касаясь поверхности Земли, они отдают ей тепло, нагревают ее. Таким образом, солнечная энергия преобразуется во внутреннюю энергию почвы и тел, которые находятся на поверхности земли. Воздух, который нагрелся от поверхности земли, приходит в движение – так рождается ветер. Начинается преобразование внутренней энергии, которой наделены воздушные массы, в механическую энергию.

          Некоторая часть солнечной энергии поглощается листьями растений. Начинают происходить сложные химические реакции (фотосинтез) в результате которых образуются органические соединения, т.е. солнечная энергия превращается в химическую энергию.

          Переход внутриатомной энергии в разные виды энергии часто используется на практике. Закон сохранения энергии является научной основой для различного рода расчетов в абсолютно всех областях науки и техники. Необходимо понимать, что внутреннюю энергию невозможно полностью преобразовать в механическую.

          История насчитывает огромное число проектов «вечного двигателя». В некоторых случаях ошибки «изобретателя» были очевидны, в других эти ошибки были спрятаны за сложной конструкцией прибора. Неудачные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и сегодня. Все они обречены на неудачу, потому что закон сохранения и превращения энергии отрицает получение работы без затраты энергии.

          Остались вопросы? Не знаете, как сделать домашнее задание?
          Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
          Первый урок – бесплатно!

          Зарегистрироваться

          © blog.tutoronline.ru,
          при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

          Закон сохранения механической энергии — определение и формулы

          Энергия: что это такое

          Если мы погуглим определение слова «Энергия», то скорее всего найдем что-то про формы взаимодействия материи. Это верно, но совершенно непонятно.

          Поэтому давайте условимся здесь и сейчас, что энергия — это запас, который пойдет на совершение работы.

          Энергия бывает разных видов: механическая, электрическая, внутренняя, гравитационная и так далее. Измеряется она в Джоулях (Дж) и чаще всего обозначается буквой E.

          Механическая энергия

          Механическая энергия — это энергия, связанная с движением объекта или его положением, способность совершать механическую работу.

          Она представляет собой совокупность кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия — это энергия действия. Потенциальная — ожидания действия.

          Представьте, что вы взяли в руки канцелярскую резинку, растянули ее и отпустили. Из растянутого положения резинка просто «полетит», как только вы ей позволите это сделать. В этом процессе в момент натяжения резинка обладает потенциальной энергией, а в момент полета — кинетической.

          Еще один примерчик: лыжник скатывается с горы. В самом начале — на вершине — у него максимальная потенциальная энергия, потому что он в режиме ожидания действия (ждущий режим 😂), а внизу горы он уже явно двигается, а не ждет, когда с ним это случится — получается, внизу горы кинетическая энергия.

          Смотреть на мир через формулы и физические процессы — гораздо увлекательнее! А еще так проще разобраться со сложной контрольной и подтянуть оценки по физике.

          Приходиться учиться в современном формате в онлайн-школу Skysmart. Подростков ждут интерактивные задания, карта личного прогресса и домашка, в которую хочется «залипать».2.

          Решение:

          Формула потенциальной энергии Еп = mgh

          Выразим высоту:

          h = Eп/mg

          Переведем 637 кДж в Джоули.

          637 кДж = 637000 Дж

          Подставляем значения

          h = 637 000/(65 * 9,8) = 1000 м

          Ответ: высота горы равна 1000 метров.

          Задачка три

          Два шара разной массы подняты на разную высоту относительно поверхности стола (см. рисунок). Сравните значения потенциальной энергии шаров E1 и E2. Считать, что потенциальная энергия отсчитывается от уровня крышки стола.

          Решение:

          Потенциальная энергия вычисляется по формуле: E = mgh

          По условию задачи

          m1 = m

          h2 = 2h

          m2 = 2m

          h3 = h

          Таким образом, получим, что

          E1 = m*g*2h = 2 mgh,

          а E2 = 2mgh,

          то есть E1 = E2.

          Ответ: E1 = E2.

          Закон сохранения энергии

          В физике и правда ничего не исчезает бесследно. Чтобы это как-то выразить, используют законы сохранения. В случае с энергией — Закон сохранения энергии.

          Закон сохранения энергии

          Полная механическая энергия замкнутой системы остается постоянной.

          Полная механическая энергия — это сумма кинетической и потенциальной энергий. Математически этот закон описывается так:

          Закон сохранения энергии

          Еполн.мех. = Еп + Eк = const

          Еполн.мех. — полная механическая энергия системы [Дж]

          Еп — потенциальная энергия [Дж]

          Ек — кинетическая энергия [Дж]

          const — постоянная величина

          Задачка раз

          Мяч бросают вертикально вверх с поверхности Земли.2)/2 = gh

          Из соотношения видно, что высота прямо пропорциональна квадрату начальной скорости, значит при увеличении начальной скорости мяча в два раза, высота должна увеличиться в 4 раза.

          Ответ: высота увеличится в 4 раза

          Задачка два

          Тело массой m, брошенное с поверхности земли вертикально вверх с начальной скоростью v0, поднялось на максимальную высоту h0. Сопротивление воздуха пренебрежимо мало. Чему будет равна полная механическая энергия тела на некоторой промежуточной высоте h?

          Решение

          По закону сохранения энергии полная механическая энергия изолированной системы остаётся постоянной. В максимальной точке подъёма скорость тела равна нулю, а значит, оно будет обладать исключительно потенциальной энергией Емех = Еп = mgh0.

          Таким образом, на некоторой промежуточной высоте h, тело будет обладать и кинетической и потенциальной энергией, но их сумма будет иметь значение Емех = mgh0.2)/2 = 1,6 Дж

          h = E/mg = 1,6/0,1*10 = 1,6 м

          Ответ: мяч имел скорость 2 м/с на высоте 1,6 м

          Переход механической энергии во внутреннюю

          Внутренняя энергия — это сумма кинетической энергии хаотичного теплового движения молекул и потенциальной энергии их взаимодействия. То есть та энергия, которая запасена у тела за счет его собственных параметров.

          Часто механическая энергия переходит во внутреннюю. Происходит этот процесс путем совершения механической работы над телом. Например, если сгибать и разгибать проволоку — она будет нагреваться.

          Или если кинуть мяч в стену, часть энергии при ударе перейдет во внутреннюю.

          Задачка

          Какая часть начальной кинетической энергии мяча при ударе о стену перейдет во внутреннюю, если полная механическая энергия вначале в два раза больше, чем в конце?

          Решение:

          В самом начале у мяча есть только кинетическая энергия, то есть Емех = Ек.

          В конце механическая энергия равна половине начальной, то есть Емех/2 = Ек/2

          Часть энергии уходит во внутреннюю, значит Еполн = Емех/2 + Евнутр

          Емех = Емех/2 + Евнутр

          Емех/2 = Евнутр

          Евнутр = Ек/2

          Ответ: во внутреннюю перейдет половина начальной кинетической энергии

          Закон сохранения энергии в тепловых процессах

          Чтобы закон сохранения энергии для тепловых процессов был сформулирован, было сделано два важных шага. Сначала французский математик и физик Жан Батист Фурье установил один из основных законов теплопроводности. А потом Сади Карно определил, что тепловую энергию можно превратить в механическую.

          Вот что сформулировал Фурье:

          При переходе теплоты от более горячего тела к более холодному температуры тел постепенно выравниваются и становятся едиными для обоих тел — наступает состояние термодинамического равновесия.

          Таким образом, первым важным открытием было открытие того факта, что все протекающие без участия внешних сил тепловые процессы необратимы.

          Дальше Карно установил, что тепловую энергию, которой обладает на­гретое тело, непосредственно невозможно превратить в механиче­скую энергию для производства работы. Это можно сделать, только если часть тепловой энергии тела с большей температурой передать другому телу с меньшей температурой и, следовательно, нагреть его до более высокой температуры.

          Закон сохранения энергии в тепловых процессах

          При теплообмене двух или нескольких тел абсолютное количество теплоты, которое отдано более нагретым телом, равно количеству теплоты, которое получено менее нагретым телом.

          Математически его можно описать так:

          Уравнение теплового баланса

          Q отд = Q пол

          Qотд — отданное системой количество теплоты [Дж]

          Q пол — полученное системой количество теплоты [Дж]

          Данное равенство называется уравнением теплового баланса. В реальных опытах обычно получается, что отданное более нагретым телом количество теплоты больше количества теплоты, полученного менее нагретым телом:

          Это объясняется тем, что некоторое количество теплоты при теплообмене передаётся окружающему воздуху, а ещё часть — сосуду, в котором происходит теплообмен.

          Чтобы разобраться в задачках, читайте нашу статью про агрегатные состояния вещества. А лучше — сразу приходите практиковаться на уроки физики в современную школу Skysmart. Никаких скучных заданий! Вместо этого — захватывающие примеры из жизни, вдохновение и поддержка внимательных учителей.

          Запишитесь на бесплатный вводный урок: определим уровень знаний и составим индивидуальную программу обучения.

          Задачка раз

          Сколько граммов спирта нужно сжечь в спиртовке, чтобы нагреть на ней воду массой 580 г на 80 °С, если учесть, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.7Дж/кг, удельная теплоёмкость воды 4200 Дж/(кг·°С).

          Решение:

          При нагревании тело получает количество теплоты

          Q = cmΔt ,

          где c — удельная теплоемкость вещества

          При сгорании тела выделяется энергия

          Qсгор = q*mсгор,

          где q — удельная теплота сгорания топлива

          По условию задачи нам известно, что на нагревание пошло 20% затраченной энергии.

          То есть:

          Q = 0,2 * Qсгор

          cmΔt =0,2 * qmсгор

          mсгор = cmΔt / 0,2 q

          Ответ: масса сгоревшего топливаа равна 33,6 г.

          Задачка два

          Какое минимальное количество теплоты необходимо для превращения в воду 500 г льда, взятого при температуре −10 °С? Потерями энергии на нагревание окружающего воздуха пренебречь. Удельная теплоемкость льда равна 2100 Дж/кг*℃, удельная теплота плавления льда равна 3,3*10^5 Дж/кг.5 * 0,5 = 165000 Дж

          Таким образом:

          Q = Qнагрев + Qпл = 10500 + 165000 = 175500 Дж = 175,5 кДж

          Ответ: чтобы превратить 0,5 кг льда в воду при заданных условиях необходимо 175,5 кДж тепла.

          Сохранение энергии | Физика

          Цели обучения

          К концу этого раздела вы сможете:

          • Объясните закон сохранения энергии.
          • Опишите некоторые из множества форм энергии.
          • Определите эффективность процесса преобразования энергии как долю оставшейся полезной энергии или работы, а не преобразованную, например, в тепловую энергию.

          Закон сохранения энергии

          Энергия, как мы уже отметили, сохраняется, что делает ее одной из важнейших физических величин в природе.Закон сохранения энергии можно сформулировать следующим образом:

          Общая энергия постоянна в любом процессе. Он может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общая сумма остается неизменной.

          Мы исследовали некоторые формы энергии и способы ее передачи из одной системы в другую. Это исследование привело к определению двух основных типов энергии — механической энергии (KE + PE) и энергии, передаваемой посредством работы неконсервативных сил ( W nc ).Но энергия принимает множество других форм, проявляясь во многих различных формах, и нам нужно иметь возможность справиться со всеми этими формами, прежде чем мы сможем написать уравнение для приведенного выше общего утверждения сохранения энергии.

          Другие формы энергии, кроме механической

          На этом этапе мы имеем дело со всеми другими формами энергии, объединяя их в одну группу под названием другая энергия (OE). Тогда мы можем сформулировать сохранение энергии в форме уравнения как KE i + PE i + W nc + OE i = KE f + PE f + OE f .

          Все виды энергии и работы могут быть включены в это очень общее заявление о сохранении энергии. Кинетическая энергия — KE, работа, выполняемая консервативной силой, представлена ​​PE, работа, выполняемая неконсервативными силами, — W nc , а все другие энергии включены как OE. Это уравнение применимо ко всем предыдущим примерам; в этих ситуациях OE было постоянным, поэтому оно вычиталось и не учитывалось напрямую.

          Установление соединений: полезность принципа энергосбережения

          Тот факт, что энергия сохраняется и имеет множество форм, делает ее очень важной.Вы обнаружите, что энергия обсуждается во многих контекстах, потому что она участвует во всех процессах. Также станет очевидным, что многие ситуации лучше всего понять с точки зрения энергии, и что проблемы часто легче всего концептуализировать и решать, рассматривая энергию.

          Когда OE играет роль? Один пример происходит, когда человек ест. Пища окисляется с выделением углекислого газа, воды и энергии. Некоторая часть этой химической энергии преобразуется в кинетическую энергию, когда человек движется, в потенциальную энергию, когда человек меняет высоту, и в тепловую энергию (другая форма OE).

          Некоторые из многих форм энергии

          Какие еще формы энергии? Вы, наверное, можете назвать ряд форм энергии, которые еще не обсуждались. Многие из них будут рассмотрены в следующих главах, но давайте подробно остановимся на некоторых здесь. Электрическая энергия — это обычная форма, которая преобразуется во многие другие формы и работает в широком диапазоне практических ситуаций. Топливо, такое как бензин и продукты питания, несут химическую энергию , которая может быть передана системе путем окисления.Химическое топливо также может производить электрическую энергию, например, в батареях. Батареи, в свою очередь, могут производить свет, который представляет собой очень чистую форму энергии. Фактически, большинство источников энергии на Земле — это запасенная энергия из энергии, которую мы получаем от Солнца. Мы иногда называем это излучением или электромагнитным излучением, которое включает в себя видимый свет, инфракрасное и ультрафиолетовое излучение. Ядерная энергия происходит из процессов, которые преобразуют измеримые количества массы в энергию.Ядерная энергия преобразуется в энергию солнечного света, в электрическую энергию на электростанциях и в энергию передачи тепла и взрыва в оружии. Атомы и молекулы внутри всех объектов находятся в беспорядочном движении. Эта внутренняя механическая энергия от случайных движений называется тепловой энергией , потому что она связана с температурой объекта. Эти и все другие формы энергии могут быть преобразованы друг в друга и могут работать.

          В таблице 1 указано количество энергии, накопленной, используемой или высвобождаемой различными объектами и в различных явлениях.Диапазон энергий, разнообразие типов и ситуаций впечатляет.

          Стратегии решения проблем для энергетики

          Вы найдете следующие стратегии решения проблем полезными, когда будете иметь дело с энергией. Стратегии помогают в организации и укреплении энергетических концепций. Фактически, они используются в примерах, представленных в этой главе. Знакомые общие стратегии решения проблем, представленные ранее, включающие определение физических принципов, известных и неизвестных, проверочные единицы и т. Д., По-прежнему актуальны.

          Шаг 1. Определите интересующую систему и определите, какая информация предоставляется и какое количество должно быть рассчитано. Эскиз поможет.

          Шаг 2. Изучите все задействованные силы и определите, знаете ли вы или получаете ли вы потенциальную энергию от работы, выполняемой этими силами. Затем используйте шаг 3 или шаг 4.

          Шаг 3. Если вы знаете потенциальные энергии сил, которые входят в проблему, тогда все силы консервативны, и вы можете применить закон сохранения механической энергии просто в терминах потенциальной и кинетической энергии.Уравнение, выражающее сохранение энергии: KE i + PE i = KE f + PE f .

          Шаг 4. Если вы знаете потенциальную энергию только для некоторых сил, возможно потому, что некоторые из них неконсервативны и не имеют потенциальной энергии, или если есть другие энергии, которые нелегко трактовать с точки зрения силы и работы, то необходимо использовать закон сохранения энергии в самом общем виде.

          KE i + PE i + W NC + OE i = KE f + PE f + OE f .

          В большинстве задач один или несколько членов равны нулю, что упрощает их решение. Не рассчитывайте Вт c , работа проделана консервативными силами; он уже включен в условия PE.

          Шаг 5. Вы уже определили типы работы и энергии (на шаге 2). Прежде чем решать неизвестное, по возможности исключите члены , чтобы упростить алгебру. Например, выберите h = 0 либо в начальной, либо в конечной точке, чтобы PE g был равен нулю.Затем привычным способом решите неизвестное.

          Шаг 6. Проверьте ответ, чтобы убедиться в его обоснованности . Решив проблему, еще раз проверьте формы работы и энергии, чтобы убедиться, что вы правильно составили уравнение сохранения энергии. Например, работа, выполняемая против трения, должна быть отрицательной, потенциальная энергия внизу холма должна быть меньше, чем наверху, и так далее. Также убедитесь, что полученное числовое значение является разумным.Например, конечная скорость скейтбордиста, спускающегося по рампе высотой 3 м, разумно может составлять 20 км / ч, но , а не 80 км / ч.

          Преобразование энергии

          Рис. 1. Солнечная энергия преобразуется в электрическую с помощью солнечных элементов, которые используются для запуска двигателя в этом летательном аппарате, работающем на солнечной энергии. (кредит: НАСА)

          Преобразование энергии из одной формы в другую происходит постоянно. Химическая энергия пищи преобразуется в тепловую в процессе метаболизма; световая энергия преобразуется в химическую энергию посредством фотосинтеза.В более крупном примере химическая энергия, содержащаяся в угле, преобразуется в тепловую энергию, когда он сгорает, превращая воду в пар в бойлере. Эта тепловая энергия пара, в свою очередь, преобразуется в механическую энергию при вращении турбины, которая соединена с генератором для производства электроэнергии. (Во всех этих примерах не вся начальная энергия преобразуется в упомянутые формы. Этот важный момент обсуждается позже в этом разделе.)

          Другой пример преобразования энергии происходит в солнечном элементе.Солнечный свет, падающий на солнечный элемент (см. Рисунок 1), производит электричество, которое, в свою очередь, может использоваться для запуска электродвигателя. Энергия преобразуется из первичного источника солнечной энергии в электрическую, а затем в механическую.

          Таблица 1. Энергия различных предметов и явлений
          Объект / явление Энергия в джоулях
          Большой взрыв 10 68
          Энергия, выделяемая при сверхновой 10 44
          Синтез всего водорода в океанах Земли 10 34
          Годовое мировое потребление энергии 4 × 10 20
          Большая термоядерная бомба (9 мегатонн) 3.8 × 10 16
          1 кг водорода (синтез с гелием) 6,4 × 10 14
          1 кг урана (ядерное деление) 8,0 × 10 13
          Делящаяся бомба размером с Хиросиму (10 килотонн) 4,2 × 10 13
          Авианосец водоизмещением

          тонн, скорость 30 узлов

          1,1 × 10 10
          1 баррель сырой нефти 5.9 × 10 9
          1 тонна в тротиловом эквиваленте 4,2 × 10 9
          1 галлон бензина 1,2 × 10 8
          Ежедневное потребление электроэнергии в домашних условиях (развитые страны) 7 × 10 7
          Суточное потребление пищи взрослыми (рекомендуемое) 1,2 × 10 7
          Автомобиль массой 1000 кг, скорость 90 км / ч 3,1 × 10 5
          1 г жира (9.3 ккал) 3,9 × 10 4
          Реакция гидролиза АТФ 3,2 × 10 4
          1 г углеводов (4,1 ккал) 1,7 × 10 4
          1 г белка (4,1 ккал) 1,7 × 10 4
          Теннисный мяч со скоростью 100 км / ч 22
          Комар (10 −2 г при 0,5 м / с) 1,3 × 10 −6
          Одиночный электрон в пучке телевизионной трубки 4.0 × 10 −15
          Энергия разрыва одной цепи ДНК 10 −19

          КПД

          Даже если энергия сохраняется в процессе преобразования энергии, выход полезной энергии или работы будет меньше, чем потребляемая энергия. Эффективность Eff процесса преобразования энергии определяется как

          [латекс] \ displaystyle \ text {Эффективность} (Eff) = \ frac {\ text {полезная энергия или выход работы}} {\ text {общее количество потребляемой энергии}} = \ frac {W _ {\ text {out}}} {E _ {\ text {in}}} \\ [/ latex]

          В таблице 2 перечислены некоторые показатели эффективности механических устройств и деятельности человека.Например, на угольной электростанции около 40% химической энергии угля становится полезной электрической энергией. Остальные 60% преобразуются в другие (возможно, менее полезные) формы энергии, такие как тепловая энергия, которая затем выделяется в окружающую среду через дымовые газы и градирни.

          Таблица 2. Эффективность человеческого тела и механических устройств
          Деятельность / устройство КПД (%)
          Велоспорт и скалолазание 20
          Плавание на поверхности 2
          Плавание под водой 4
          Лопатой 3
          Тяжелая атлетика 9
          Паровой двигатель 17
          Бензиновый двигатель 30
          Дизельный двигатель 35
          Атомная электростанция 35
          Угольная электростанция 42
          Электродвигатель 98
          Компактный люминесцентный свет 20
          Обогреватель газовый (жилой) 90
          Солнечный элемент 10

          Исследования PhET: массы и пружины

          Реалистичная лаборатория масс и пружин.Подвесьте массы к пружинам и отрегулируйте жесткость и демпфирование пружины. Вы даже можете замедлить время. Перенесите лабораторию на разные планеты. На диаграмме показаны кинетическая, потенциальная и тепловая энергии каждой пружины.

          Щелкните, чтобы запустить моделирование.

          Краткое содержание раздела

          • Закон сохранения энергии гласит, что полная энергия постоянна в любом процессе. Энергия может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общее количество остается неизменным.
          • Когда рассматриваются все формы энергии, сохранение энергии записывается в форме уравнения как KE i + PE i + W nc + OE i = KE f + PE f + OE f , где OE — , все другие виды энергии , кроме механической энергии.
          • Обычно встречающиеся формы энергии включают электрическую энергию, химическую энергию, лучистую энергию, ядерную энергию и тепловую энергию.
          • Энергия часто используется для выполнения работы, но невозможно преобразовать всю энергию системы для работы.
          • Эффективность Eff машины или человека определяется как [латекс] \ text {Eff} = \ frac {{W} _ {\ text {out}}} {{E} _ {\ text {in} }} \\ [/ latex], где Вт, , из — это полезная рабочая мощность, а E, , в — потребляемая энергия.

          Концептуальные вопросы

          1. Рассмотрим следующий сценарий. Автомобиль, для которого трение не является незначительным, ускоряется в состоянии покоя вниз по склону, заканчиваясь бензином после короткого расстояния. Водитель позволяет машине двигаться дальше вниз по склону, затем вверх и по небольшому гребню.Затем он спускается с холма на заправочную станцию, тормозит до остановки и заправляет бак бензином. Определите формы энергии, которые есть в машине, и то, как они изменяются и передаются в этой серии событий. (См. Рисунок 2.)

            Рис. 2. Автомобиль, испытывающий существенное трение, едет вниз по склону, преодолевает небольшой гребень, затем снова спускается по склону и останавливается на заправке.

          2. Автомобиль, испытывающий существенное трение, едет вниз по склону, преодолевает небольшой гребень, затем снова спускается по склону и останавливается на заправке.
          3. Автомобиль едет по инерции, двигается по гребню, затем снова спускается с горы и, наконец, останавливается на заправке. Каждая из этих позиций помечена стрелкой, направленной вниз.
          4. Опишите передачу энергии и трансформацию копья, начиная с момента, когда спортсмен поднимает копье, и заканчивая тем, что копье застревает в земле после броска.
          5. Нарушают ли устройства с КПД меньше единицы закон сохранения энергии? Объяснять.
          6. Перечислите четыре различных формы или типа энергии. Приведите один пример преобразования каждой из этих форм в другую.
          7. Перечислите преобразования энергии, которые происходят при езде на велосипеде.

          Задачи и упражнения

          1. Используя значения из таблицы 1, сколько молекул ДНК могло бы быть разрушено энергией, переносимой одним электроном в луче старомодной телевизионной трубки? (Эти электроны сами по себе не опасны, но они создают опасные рентгеновские лучи.Более поздние модели ламповых телевизоров имели экранирование, которое поглощало рентгеновские лучи до того, как они ускользнули и подверглись воздействию зрителей.)
          2. Используя соображения энергии и допуская незначительное сопротивление воздуха, покажите, что камень, брошенный с моста на высоте 20,0 м над водой с начальной скоростью 15,0 м / с, ударяется о воду со скоростью 24,8 м / с независимо от направления метания.
          3. Если бы энергия термоядерных бомб использовалась для обеспечения мировых энергетических потребностей, сколько из 9-мегатоннных бомб потребовалось бы для годового запаса энергии (с использованием данных из таблицы 1)? Это не так надумано, как может показаться — существуют тысячи ядерных бомб, и их энергия может быть захвачена в результате подземных взрывов и преобразована в электричество, как это делает природная геотермальная энергия.
          4. (a) Использование синтеза водорода для получения энергии — это мечта, которая может быть реализована в следующем столетии. Термоядерный синтез будет относительно чистым и почти безграничным источником энергии, как видно из таблицы 1. Чтобы проиллюстрировать это, подсчитайте, сколько лет нынешние энергетические потребности мира могут быть обеспечены одной миллионной частью энергии синтеза водорода в Мировом океане. (б) Как это время соотносится с исторически значимыми событиями, такими как продолжительность стабильной экономической системы?

          Глоссарий

          закон сохранения энергии: общий закон, согласно которому полная энергия постоянна в любом процессе; энергия может меняться по форме или передаваться из одной системы в другую, но общее количество остается прежним

          электрическая энергия: энергия, переносимая потоком заряда

          химическая энергия: энергия вещества, хранящаяся в связях между атомами и молекулами, которая может высвобождаться в химической реакции

          лучистая энергия: энергия, переносимая электромагнитными волнами

          ядерная энергия: энергия, выделяемая в результате изменений в атомных ядрах, таких как слияние двух легких ядер или деление тяжелого ядра

          тепловая энергия: энергия внутри объекта из-за случайного движения его атомов и молекул, которая составляет температуру объекта

          эффективность: показатель эффективности затраченной энергии для выполнения работы; полезная энергия или работа, деленная на общее количество потребляемой энергии

          Избранные решения проблем и упражнения

          1.2} = 24,8 \ text {м / с} \\ [/ latex]

          4. (а) 25 × 10 6 лет; (б) Это намного больше, чем человеческие масштабы времени.


          Первый закон термодинамики: закон сохранения энергии — Видео и стенограмма урока

          Первый закон термодинамики: закон сохранения энергии

          Вы когда-нибудь задумывались, что происходит с деревом при горении? Кажется, будто дерево может раствориться в воздухе. В то время как сжигание дерева, кажется, создает энергию и разрушает дерево, ни одно не создается и не разрушается.Напротив, энергия и материя меняются из одной формы в другую. Древесина содержит то, что мы называем химической потенциальной энергией , которая представляет собой энергию, хранящуюся в связях, удерживающих химические вещества вместе. Эта накопленная энергия выделяется в виде тепла и света при сжигании древесины.

          Древесина также содержит материю , то есть все, что имеет массу и занимает место (объем). Вещество внутри дерева превращается в другое вещество, включая золу и сажу, когда оно горит.Общее количество энергии и вещества в древесине перед сжиганием равно энергии и веществу золы, сажи, тепла и света после сжигания. Другими словами, энергия и материя сохраняются как во время, так и после сжигания древесины.

          При сжигании древесины энергия и материя сохраняются и преобразуются в различные формы.

          Это явление сохранения объясняется тем, что мы называем первым законом термодинамики , иногда называемым законом сохранения энергии .Закон гласит, что энергия не может быть создана или уничтожена. Энергия может быть описана как способность совершать работу, где работа — это движение материи при приложении к ней силы. В примере с горением дерева энергия, которую мы видим в форме огня, не создается из ничего, а скорее исходит из энергии, которая хранится в дереве. Точно так же древесина не разрушается, а превращается в золу и сажу.

          Чтобы лучше понять закон сохранения энергии, мы должны принять во внимание тот факт, что он применим к системам.Система — это просто набор компонентов, составляющих единое целое. Сжигание древесины — это система, включающая древесину, тепло, золу и сажу. Вселенная — самая большая система, о которой мы знаем, и она включает в себя всю материю и всю энергию, включая горящее дерево, о котором мы говорим. Есть и другие примеры небольших систем. Например, вы можете рассматривать свое тело как систему. Когда вы готовите, вы также можете рассматривать кастрюлю с водой на плите как систему.

          Теперь, когда у нас есть хорошее представление о системах, давайте рассмотрим разницу между открытой и закрытой системой и обсудим закон сохранения энергии применительно к каждой из них.Закрытая система — это система, в которой любой материи или энергии разрешено входить или уходить. Первый закон термодинамики говорит нам, что количество энергии в любой замкнутой системе постоянно — оно не меняется.

          Открытая система , с другой стороны, позволяет вещам входить и выходить, как дрова в камине. Здесь вы можете добавить дров в камин и зажечь его спичкой, скажем, из своего кармана. Тепло, зола и сажа могут покинуть камин во время пожара.Другими словами, энергия и масса могут входить в систему и покидать ее, пока они исходят из системы, или уходят в другую систему. Однако важно отметить, что общая масса и энергия в нашей Вселенной остаются постоянными.

          Поскольку большинство систем не закрыты, закон сохранения энергии можно перефразировать так, чтобы сказать, что изменение внутренней энергии системы равно разнице между количеством поступающей энергии за вычетом количества уходящей энергии. Другими словами, количество энергии в системе может измениться, но только если оно поступает из другой системы или переходит в другую систему.

          В любом случае системы, открытые или закрытые, не создают и не разрушают энергию. Напротив, энергия может поступать из одной системы и уходить в другую. Энергия, которая поступает в систему, должна либо храниться там, либо уходить. Система не может расходовать больше энергии, чем содержит, без получения дополнительной энергии от внешнего источника.

          Move It! Сохранение энергии и передача энергии при авариях — Урок

          Быстрый просмотр

          Уровень оценки: 6
          (5-7)

          Требуемое время: 1 час

          Зависимость урока: Нет

          Тематические области:
          Физические науки, наука и технологии

          Ожидаемые характеристики NGSS:


          Резюме

          Учащиеся узнают, как сохранение энергии применяется в ситуациях столкновения, таких как автомобильная авария или падающий объект.Механическая энергия — наиболее понятный для студентов вид энергии. Когда задействована механическая энергия, что-то движется. Механическая энергия — очень важное понятие для понимания. Инженеры должны знать, что происходит, когда что-то тяжелое падает с большого расстояния, превращая свою потенциальную энергию в кинетическую. Автомобильным инженерам необходимо знать, что происходит, когда машины врезаются друг в друга, и почему они могут нанести такой большой урон даже на низких скоростях! Наши знания о механической энергии используются для проектирования таких вещей, как мосты, двигатели, автомобили, инструменты, парашюты и даже здания!
          Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

          Инженерное соединение

          Этот урок охватывает один из фундаментальных принципов инженерной и прикладной физики, закон сохранения энергии, ключевую концепцию во многих областях техники. Во время связанного действия Bombs Away! В рамках эксперимента с падением яиц учащиеся используют концепции энергии так же, как инженеры, при разработке устройств, смягчающих удары и защищающих от падения яиц.

          Цели обучения

          После этого урока учащиеся должны уметь:

          • Определите разницу между кинетической и потенциальной энергией.
          • Объясните, как передается энергия при ударе, например, в автомобильной аварии.

          Образовательные стандарты

          Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12,
          образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

          Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) ,
          проект D2L (www.achievementstandards.org).

          В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика;
          внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

          NGSS: научные стандарты нового поколения — наука

          Ожидаемые характеристики NGSS

          МС-ПС3-5.Сконструируйте, используйте и представьте аргументы в поддержку утверждения о том, что при изменении кинетической энергии объекта энергия передается к объекту или от него.

          (6-8 классы)

          Вы согласны с таким раскладом?


          Спасибо за ваш отзыв!

          Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.

          Этот урок посвящен следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
          Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Общие концепции
          Сконструировать, использовать и представить устные и письменные аргументы, подкрепленные эмпирическими данными и научными рассуждениями, для поддержки или опровержения объяснения или модели явления.

          Соглашение о выравнивании:
          Спасибо за ваш отзыв!

          Научные знания основаны на логических и концептуальных связях между доказательствами и объяснениями.

          Соглашение о выравнивании:
          Спасибо за ваш отзыв!

          Когда энергия движения объекта изменяется, неизбежно одновременно происходит какое-то другое изменение энергии.

          Соглашение о выравнивании:
          Спасибо за ваш отзыв!

          Энергия может принимать разные формы (например,грамм. энергия в полях, тепловая энергия, энергия движения).

          Соглашение о выравнивании:
          Спасибо за ваш отзыв!

          Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология

          ГОСТ

          Северная Каролина — наука

          • Понять характеристики передачи энергии и взаимодействия материи и энергии.(Оценка
            6)

            Подробнее

            Посмотреть согласованную учебную программу

            Вы согласны с таким раскладом?

            Спасибо за ваш отзыв!

          • Понимать формы энергии, передачи, преобразования и сохранения энергии в механических системах.(Оценка
            7)

            Подробнее

            Посмотреть согласованную учебную программу

            Вы согласны с таким раскладом?

            Спасибо за ваш отзыв!

          • Объясните, как кинетическая и потенциальная энергия влияют на механическую энергию объекта.(Оценка
            7)

            Подробнее

            Посмотреть согласованную учебную программу

            Вы согласны с таким раскладом?

            Спасибо за ваш отзыв!

          • Объясните, как можно преобразовать энергию из одной формы в другую (в частности, потенциальную энергию и кинетическую энергию), используя модель или диаграмму движущегося объекта (например, американские горки, маятник или автомобили на пандусах).(Оценка
            7)

            Подробнее

            Посмотреть согласованную учебную программу

            Вы согласны с таким раскладом?

            Спасибо за ваш отзыв!

          Предложите выравнивание, не указанное выше

          Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

          Введение / Мотивация

          (Начните с демонстрации класса.Бросьте легко бьющийся предмет, например яйцо, в безопасный контейнер, например прозрачное ведро, убедившись, что все ученики могут видеть, что происходит.) Почему яйцо разбилось? Что заставило объект двигаться в первую очередь? (Пусть студенты объяснят, что они знают об этом. Ожидайте, что некоторые скажут, что гравитация заставила яйцо упасть и что яйца легко разбиваются.) Мы можем понять, почему оно разбилось, если понять механическую энергию.

          Что происходит в автомобильной аварии? Для автомобиля, движущегося со скоростью около 35 миль в час, водитель также движется со скоростью 35 миль в час.Однако в случае аварии водитель внутри должен максимально плавно сбавить скорость до нуля миль в час. В противном случае результат был бы таким же, как если бы тело на скорости 35 миль в час швырнуло в кирпичную стену … ой!

          В сегодняшнем уроке мы рассмотрим события, такие как автомобильная авария в данном случае, и изучим различные способы передачи энергии в системах. С инженерной точки зрения такие ситуации интересны, потому что ремни безопасности, ограничители усилия, подушки безопасности и даже шасси автомобиля работают вместе, чтобы обеспечить безопасность водителя и пассажиров в автомобильной аварии.

          Предпосылки и концепции урока для учителей

          Министерство энергетики США (DOE) предоставляет основную информацию об энергии, подходящей для студентов, и является хорошим источником дополнительной информации по этому вопросу. http://www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/science/formsofenergy.html

          Этот урок охватывает закон сохранения энергии . Энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Эта концепция более подробно описана на веб-сайте DOE.http://www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/science/formsofenergy.html#conservation.

          Потенциальная энергия — Любая сохраненная энергия является потенциальной энергией. Батарейки, пружины и резиновые ленты являются примерами накопленной или потенциальной энергии. В связанном действии Bombs Away! Egg Drop Experiment, высота обеспечивает гравитационную потенциальную энергию. Например, мяч на высоте 1 фут над землей обладает меньшей потенциальной энергией относительно земли, чем тот же мяч, расположенный на высоте 20 футов над землей.Механическая потенциальная энергия — это энергия, связанная с положением или местоположением объекта, а не энергия движения. Количество потенциальной энергии объекта также связано с его массой. Например, мяч для боулинга труднее поднять на 5 футов от земли, чем теннисный мяч на 5 футов от земли.

          Кинетическая энергия — Энергия, связанная с движущимся объектом и напрямую связанная с потенциальной энергией. Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую, когда объект отпускается с определенной высоты и начинает двигаться.Любой движущийся объект обладает кинетической энергией. Вы можете принести различные предметы разного размера и веса и бросить их, чтобы продемонстрировать, как разное количество потенциальной энергии преобразуется в разное количество кинетической энергии по мере того, как предметы ускоряются по направлению к земле. Подобные объекты разного веса демонстрируют это наиболее эффективно, поскольку они будут падать с одинаковой скоростью, но издают разные звуки при ударе о землю. Более тяжелый объект будет издавать громче, чем более легкий.Этот звук может быть качественной мерой того, сколько кинетической энергии имеет объект, когда он ударяется о землю.

          Короче говоря, потенциальная энергия — это энергия, которая зависит от положения или местоположения массы, а кинетическая энергия — это энергия, связанная со скоростью массы. Учащиеся должны уметь смотреть на конфигурацию системы и определять типы энергии, связанные с объектами в системе, и описывать вероятную передачу энергии, которая может происходить между различными объектами внутри системы.Помните, что по закону сохранения энергии энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Механическую энергию в автокатастрофе можно суммировать следующим образом:

          1. Автомобиль содержит бензин, энергия которого сохраняется в виде потенциальной химической энергии.
          2. Двигатель сжигает бензин и превращает его в кинетическую энергию. Это передается на оси автомобиля в виде вращения, заставляя колеса поворачиваться, а автомобиль двигаться.
          3. Когда автомобиль ударяется о неподвижный неподвижный объект (стена / столб / дерево), хруст шасси преобразует кинетическую энергию движущегося автомобиля в тепловую энергию из-за изгиба материала шасси.Кинетическая энергия пассажира должна рассеиваться плавно. Ремни безопасности и подушки безопасности являются основными системами для этого. Когда голова пассажира ударяется о подушку безопасности, кинетическая энергия передается подушке безопасности, а затем превращается в тепло, когда она перестает двигаться. Ремни безопасности удерживают пассажира на месте и позволяют передней и задней частях шасси максимально плавно рассеивать энергию. Примечание. Если вам сложно представить, как кинетическая энергия может быть преобразована в тепловую, просто сгибая металл, попробуйте несколько раз согнуть скрепку.Если вы воспользуетесь скрепкой большего размера и несколько раз согнете ее в середине прямого участка, вы сможете почувствовать небольшое тепло, выделяемое при сгибании металла. То же самое и с толстой резинкой, но если она используется в качестве демонстрации, обязательно предупредите учащихся, чтобы они не били себя резиновыми лентами по лицу.
          4. Сценарий автокатастрофы дополнительно объясняется в статье HowStuffWorks о ремнях безопасности, http://auto.howstuffworks.com/seatbelt.htm.

          Остальные ситуации можно проанализировать аналогично.Определите типы энергии, присутствующие в начале сценария, а затем определите, что происходит с этой энергией. Для получения дополнительной информации о видах энергии посетите страницу Министерства энергетики: http://www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/science/formsofenergy.html#forms

          HowStuffWorks предоставляет еще одно хорошее обсуждение терминологии, важной для этого урока и упражнения, в частности, обсуждение терминов масса, сила, энергия и кинетическая энергия. http://science.howstuffworks.com/fpte.htm

          Сопутствующие мероприятия

          Закрытие урока

          Повторите с классом то, что было изучено на уроке:

          • Энергия бывает разных форм; в этом уроке мы рассмотрели механическую энергию удара.
          • Потенциальная и кинетическая энергия — это формы механической энергии.
          • В целом, почему у человека в машине НАМНОГО больше кинетической энергии, чем у человека на велосипеде? Человек, едущий в машине, обычно имеет большую скорость.Это вызов для инженеров-автомобилестроителей, чья работа связана с обеспечением надлежащей безопасности пассажиров автомобилей.
          • Ремни безопасности, подушки безопасности и ограничители усилия — все устройства, предназначенные для уменьшения усилия из-за быстрого замедления (замедления), которое люди ощущают при автомобильной аварии.

          Словарь / Определения

          ускорение: скорость изменения скорости во времени. Мера того, насколько быстро скорость объекта увеличивается или уменьшается.

          энергия: способность выполнять работу. Существуют различные типы энергии, включая механическую, тепловую, электрическую, магнитную, химическую, ядерную, звуковую или лучистую. Энергия, рассматриваемая на этом уроке и связанной с ним деятельности, будет в первую очередь механической энергией, поскольку это энергия движения.

          сила: все, что может изменить состояние покоя или движения объекта. Сила представлена ​​двумя величинами; его величина и направление в пространстве.Величина силы представлена ​​такими величинами, как фунты, тонны или ньютоны. Направление в пространстве буквально означает направление приложения силы. Это означает, что сила — это вектор, и для его полного определения требуются два (2) элемента информации. Когда несколько сил действуют одновременно на объект, объект движется так, как будто на него действует одна сила, величина и направление которой являются суммой приложенных сил.

          Удар: удар одного предмета о другой; столкновение.

          кинетическая энергия: энергия, которой обладает объект из-за его движения.

          масса: мера того, сколько вещества содержит объект, или общее количество частиц в объекте. Масса — это не вес. Вес — это сила, действующая на массу под действием силы тяжести. Следовательно, ваша масса не изменится на разных планетах, но ваш вес изменится. Например, если бы вы были на Луне, вы бы сейчас весили около 1/6 своего веса.

          потенциальная энергия: энергия частицы или системы частиц, возникающая в результате положения или состояния.Гравитационная потенциальная энергия основана на том, насколько высоко над землей находится объект, в то время как другие формы потенциальной энергии могут включать пружину, батарею или топливо.

          вектор: величина, имеющая как величину, так и направление. Примеры векторных величин включают скорость, вес и силу. В качестве альтернативы скорость и масса НЕ являются векторными величинами и могут быть представлены их величиной.

          скорость: векторная величина, величина которой является скоростью объекта, а направление совпадает с направлением движения объекта.Скорость отличается от скорости, потому что скорость также описывает направление.

          Оценка

          Вопрос : Попросите учащихся определить потенциальную и кинетическую энергию скейтбордиста или сноубордиста на хаф-пайпе.

          Задача в реальном мире : Спросите учащихся, как они могут транспортировать припасы в труднодоступную зону бедствия или в попавшую в ловушку военную команду, где нет дорог или взлетно-посадочных полос для самолетов или вертолетов.После небольшого обсуждения представьте (если это еще не рассматривалось) идею сброса припасов с самолетов. Попросите учащихся использовать свое воображение, чтобы определить, какие проблемы могут возникнуть при сбросе припасов (поврежденные припасы, посадки припасов на людей, припасы, не прибывающие туда, где они должны были, взрывающиеся пакеты с едой и т. Д.). Сообщите учащимся, что военные США и группы по оказанию помощи при стихийных бедствиях занимаются одними и теми же проблемами! Спросите студентов, какие виды энергии и передачи энергии вызывают эти проблемы.Связанное мероприятие, Bombs Away! Egg Drop Experiment, просит студентов спроектировать и построить устройство, позволяющее безопасно и точно приземляться в заранее определенном месте.

          Мероприятия по продлению урока

          • Найдите безопасный автомобиль — Изучите варианты безопасности на вашем семейном автомобиле или автомобилях, которые водят люди в вашем районе. См. Http://www.crashtest.com как полезный инструмент для сравнения вариантов безопасности автомобилей.Безопасны ли автомобили, которые вы исследовали? Почему или почему нет?
          • Как работают ремни безопасности? — Узнайте, как ремни безопасности работают вместе с ограничителями силы для защиты водителей и пассажиров.
          • Как работают подушки безопасности? — Исследовательские подушки безопасности. Когда были использованы первые подушки безопасности? Обеспечивают ли подушки безопасности адекватную безопасность?
          • Как происходит сбрасывание поставок? — Попросите студентов исследовать, как военные и группы помощи сбрасывают припасы.

          Рекомендации

          Crashtest.com. www.crashtest.com

          «Как работают сила, мощность, крутящий момент и энергия». http://science.howstuffworks.com/fpte2.htm

          «Как работают сбои». Как это работает. http://auto.howstuffworks.com/crash-test.htm

          Авторские права

          © 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2005 Duke University

          Авторы

          Рэндалл Эванс, Дэн Чой

          Программа поддержки

          Техническая программа K-PhD, Инженерная школа Пратта, Университет Дьюка

          Благодарности

          Этот контент был разработан программой MUSIC (Понимание математики через науку, интегрированную с учебным планом) в Pratt School of Engineering в Университете Дьюка в рамках гранта N GK-12 Национального научного фонда.DGE 0338262. Однако это содержание не обязательно отражает политику NSF, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

          Последнее изменение: 30 апреля 2021 г.

          Закон сохранения энергии

          Закон сохранения энергии гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена — только преобразована из одной формы энергии в другую. Это означает, что система всегда имеет одинаковое количество энергии, если только она не добавляется извне.Это особенно сбивает с толку в случае неконсервативных сил, когда энергия преобразуется из механической энергии в тепловую, но общая энергия остается неизменной. Единственный способ использовать энергию — это преобразовывать энергию из одной формы в другую.

          Таким образом, количество энергии в любой системе определяется по следующему уравнению:

          [математика] U_ {T} = U_ {i} + W + Q [/ математика]

          • [math] U_T [/ math] — это полная внутренняя энергия системы.
          • [math] U_i [/ ​​math] — начальная внутренняя энергия системы.
          • [математика] W [/ математика] — это работа, выполняемая системой или в ней. {2} [/ математика]

            • [математика] E [/ математика] — это количество энергии в объекте или системе.8 м / с [/ математика].

            Для дальнейшего чтения

            Чтобы узнать больше о физике закона сохранения энергии, см. Раздел «Гиперфизика» или о том, как это связано с химией, см. Вики-страницу UC Davis по химии.

            Transforming Energy Teacher Sheet — Science NetLinks

            Введение

            Студенты должны использовать ресурсы в ведомости для учащихся «Трансформация энергии», чтобы помочь им ответить на вопросы в ведомости для студентов.Этот лист для учителя дает вам некоторые ответы на вопросы.


            Формы энергии
            Как ученые определяют энергию?
            Они определяют энергию как способность выделять тепло и / или выполнять работу.

            Что такое «закон сохранения энергии»?
            Энергия не создается и не уничтожается.

            Согласно закону сохранения энергии, используемая энергия не исчезает. Что происходит с энергией?
            Преобразуется в другой вид энергии.

            Что означает, когда мы говорим, что преобразования энергии не «эффективны»?
            Некоторая энергия всегда преобразуется в другую форму; то есть не все это превращается из одной формы в другую. Всегда есть возможность произвести тепло.

            В чем разница между возобновляемыми и невозобновляемыми источниками энергии?
            Возобновляемые источники энергии пополняются в [разумные] сроки, тогда как невозобновляемые источники энергии — нет, поэтому их запасы ограничены.

            Почему солнечная энергия и энергия ветра считаются возобновляемыми источниками энергии?
            Всегда в наличии.

            Почему нефть, уголь и природный газ считаются невозобновляемыми источниками энергии?
            Их мало, и мы не можем быстро заменить использованный источник энергии.

            Почему электроэнергия считается вторичным источником энергии?
            Это энергоноситель, и мы должны использовать другой источник энергии, чтобы его сделать.

            Какой источник энергии номер один для производства электроэнергии в Соединенных Штатах?
            Уголь.

            Это возобновляемый или невозобновляемый источник энергии?
            Возобновлению не подлежит.

            Что такое электричество?
            Какие три основные части атома?
            Протоны, нейтроны и электроны являются основными частями.

            Как создается электричество?
            Он создается при перемещении электронов от одного атома к другому.

            Что делают вращающиеся турбины на электростанциях для производства электроэнергии?
            В генераторе они вращают витки медной проволоки внутри электромагнитов. Это заставляет электроны медной проволоки двигаться.

            Нарисуйте и обозначьте шаги, которые проходит электричество от электростанции до вашего дома.
            Линии электропередачи высокой мощности → Трансформатор для повышения мощности → Распределительные провода в районы → Трансформатор для снижения мощности → Розетка → Сетевой шнур устройства → Назад к розетке → Линии электропередач.

            Преобразование угля в электроэнергию

            Шаг

            Виды используемой энергии

            1

            Машина, называемая пульверизатором, измельчает уголь в мелкий порошок.

            Механическая энергия, энергия движения

            2

            Угольный порошок смешивается с горячим воздухом, что способствует более эффективному сжиганию угля, и смесь перемещается в печь

            Тепловая энергия, энергия движения

            3

            Горящий уголь нагревает воду в котле, образуя пар.

            Химическая энергия, тепловая энергия

            4

            Пар, выделяющийся из котла, приводит в действие двигатель, называемый турбиной, преобразуя тепловую энергию от сжигания угля в механическую энергию, которая вращает газотурбинный двигатель.

            Тепловая энергия, механическая энергия, энергия движения

            5

            Кинетическая энергия вращающейся турбины действительно работает в генераторе, машине, которая превращает эту работу в электрическую энергию.Это происходит, когда магниты внутри медной катушки в генераторе вращаются.

            Механическая энергия, энергия движения, электрическая энергия

            6

            Конденсатор охлаждает пар, проходящий через турбину. Когда пар конденсируется, он снова превращается в воду.

            Энергия движения, химическая энергия

            7

            Вода возвращается в бойлер, и цикл начинается снова

            Энергия движения

            Преобразуется ли вся химическая энергия, хранящаяся в угле, в электрическую?

            Объясните, как часть энергии угля изменяется в процессе производства электроэнергии.
            При сжигании угля часть энергии превращается в тепло. На всех этапах использования механической энергии часть энергии всегда превращается в тепло.

            Этот лист для учителя является частью урока «Преобразование энергии».

            6.2: Природа энергии

            Энергия может быть определена как способность поставлять тепло или выполнять работу. Один из видов работы ( w ) — это процесс движения материи против противоположной силы.Например, мы действительно работаем, когда накачиваем велосипедную шину — мы перемещаем материю (воздух в насосе), преодолевая противодействующую силу воздуха, уже находящегося в шине. Как и материя, энергия бывает разных типов. Одна схема классифицирует энергию на два типа: потенциальная энергия, энергия, которую объект имеет из-за его относительного положения, состава или состояния, и кинетическая энергия, энергия, которой объект обладает из-за своего движения. Вода на вершине водопада или плотины имеет потенциальную энергию из-за своего положения; когда он течет вниз через генераторы, он имеет кинетическую энергию, которую можно использовать для работы и производства электроэнергии на гидроэлектростанции (рисунок \ (\ PageIndex {2} \)).Батарея обладает потенциальной энергией, потому что химические вещества в ней могут производить электричество, которое может работать.

            Рисунок \ (\ PageIndex {2} \) : (a) Вода, расположенная выше, например, на вершине водопада Виктория, имеет более высокую потенциальную энергию, чем вода на более низкой высоте. Когда вода падает, часть ее потенциальной энергии превращается в кинетическую. (b) Если вода протекает через генераторы на дне плотины, такие как показанная здесь плотина Гувера, ее кинетическая энергия преобразуется в электрическую.(кредит а: модификация работы Стива Джурветсона; кредит б: модификация работы «куримедиа» / Wikimedia Commons).

            Энергия может быть преобразована из одной формы в другую, но вся энергия, присутствующая до того, как произойдет изменение, всегда существует в некоторой форме после того, как изменение завершено. Это наблюдение выражается в законе сохранения энергии: во время химического или физического изменения энергия не может быть ни создана, ни разрушена, хотя она может быть изменена по форме. (Это также одна из версий первого закона термодинамики, как вы узнаете позже.)

            Когда одно вещество превращается в другое, всегда происходит соответствующее преобразование одной формы энергии в другую. Обычно выделяется или поглощается тепло, но иногда преобразование включает свет, электрическую энергию или другую форму энергии. Например, химическая энергия (вид потенциальной энергии) хранится в молекулах, из которых состоит бензин. Когда бензин сгорает в цилиндрах двигателя автомобиля, быстро расширяющиеся газообразные продукты этой химической реакции генерируют механическую энергию (тип кинетической энергии), когда они перемещают поршни цилиндров.

            Согласно закону сохранения материи (рассмотренному в предыдущей главе), нет заметного изменения общего количества вещества во время химического изменения. Когда происходят химические реакции, изменения энергии относительно невелики, а изменения массы слишком малы, чтобы их можно было измерить, поэтому законы сохранения вещества и энергии остаются в силе. Однако в ядерных реакциях изменения энергии намного больше (примерно в миллион раз), изменения массы измеримы, а преобразования материи в энергию значительны.Это будет рассмотрено более подробно в следующей главе, посвященной ядерной химии. Чтобы охватить как химические, так и ядерные изменения, мы объединяем эти законы в одно утверждение: общее количество материи и энергии во Вселенной фиксировано.

            Навыки для развития

            Убедитесь, что вы полностью понимаете следующие важные идеи:

            • потенциальная энергия объекта связана с его местоположением, но есть одно дополнительное требование, которое должно быть удовлетворено для наличия потенциальной энергии.Объясните и приведите пример.
            • Различают природу кинетической энергии , которая связана с макроскопическими телами, и которая находится в микроскопических объектах, таких как атомы и молекулы.
            • Опишите значение и происхождение «химической» энергии .
            • Определите калорий .
            • Тепло и работа выражаются в единицах энергии, но они фундаментально отличаются от «простой» энергии.Объяснять.
            • … и укажите разницу между теплом и работой.

            Все химические изменения сопровождаются поглощением или выделением тепла. Тесная связь между материей и энергией была источником чудес и размышлений с самых примитивных времен; не случайно огонь считался одним из четырех основных элементов (наряду с землей, воздухом и водой) еще в пятом веке до нашей эры. В этом разделе мы рассмотрим некоторые фундаментальные концепции энергии и тепла и их взаимосвязь.Мы начнем изучение термодинамики , которая рассматривает энергетические аспекты изменений в целом, и, наконец, мы применим это конкретно к химическим изменениям. Наша цель — предоставить вам инструменты для прогнозирования изменений энергии, связанных с химическими процессами. Это создаст основу для более амбициозной цели: предсказать направление и степень самих изменений.

            Энергия — одно из самых фундаментальных и универсальных понятий физической науки, но его чрезвычайно трудно определить так, чтобы это было значимо для большинства людей.Возможно, это отражает тот факт, что энергия — это не «вещь», существующая сама по себе, а скорее атрибут материи (а также электромагнитного излучения), который может проявляться по-разному. Его можно наблюдать и измерять только косвенно, через его воздействие на материю, которая приобретает, теряет или владеет им.

            История энергетики

            Концепция, которую мы называем энергией, развивалась очень медленно; потребовалось более ста лет, чтобы люди пришли к согласию в определениях многих терминов, которые мы используем для описания энергии и взаимопревращения ее различных форм.Но даже сейчас большинству людей трудно объяснить, что это такое; каким-то образом определение, которое мы все усвоили в элементарной науке («способность выполнять работу»), кажется неадекватным для передачи его значения.

            Хотя термин «энергия» не использовался в науке до 1802 года, давно предполагалось, что определенные свойства, связанные с движениями объектов, проявляют выносливость, которая включена в современную концепцию «сохранения энергии». Рене Декарт (1596-1650) прямо заявил об этом: в 17 веке великий математик Готфрид Лейбниц (1646-1716) предложил различать vis viva («живая сила») и vis mortua («мертвая сила». ), которая позже стала известна как кинетическая энергия (1829 г.) и потенциальная энергия (1853 г.).

            Кинетическая энергия и потенциальная энергия

            Какой бы ни была энергия, в основном есть два вида. Кинетическая энергия связана с движением объекта, и его прямые последствия являются частью повседневного опыта каждого; чем быстрее мяч вы ловите в руке и чем он тяжелее, тем сильнее вы его чувствуете. Количественно тело массой м и движущееся со скоростью v обладает кинетической энергией мв 2 /2.

            Пример \ (\ PageIndex {1} \)

            Винтовка стреляет пулей весом 4,25 г со скоростью 965 м с –1 . Какова его кинетическая энергия?

            Раствор

            Единственная дополнительная информация, которая вам здесь понадобится, — это

            1 Дж = 1 кг м 2 с –2 :

            KE = ½ × (0,00425 кг) (965 м с –1 ) 2 = 1980 Дж

            Потенциальная энергия — это энергия, которую тело имеет в силу местоположения .Но это еще не все: на тело должна действовать какая-то «восстанавливающая сила», которая стремится переместить его в место с более низкой потенциальной энергией. Представьте себе стрелу, на которую действует сила натянутой тетивы; чем сильнее стрела прижимается к тетиве, тем больше у нее потенциальной энергии. В более общем смысле, восстанавливающая сила исходит от того, что мы называем силовым полем — гравитационным, электростатическим или магнитным полем. Мы постоянно наблюдаем последствия гравитации или литра потенциальной энергии, например, когда идем, но редко задумываемся об этом.

            Если объект массой м поднимается над полом на высоту h , его потенциальная энергия увеличивается на мг / ч , где g — константа пропорциональности, известная как ускорение свободного падения ; его значение у поверхности земли составляет 9,8 м с –2 .

            Пример \ (\ PageIndex {2} \)

            Найдите изменение потенциальной энергии учебника весом 2,6 кг, который падает с высоты 66 см столешницы на пол.

            Раствор

            PE = м г в час = (2,6 кг) (9,8 м с –2 ) (0,66 м) = 16,8 кг м 2 с –2 = 16,8 Дж

            Точно так же потенциальная энергия частицы, имеющей электрический заряд q , зависит от ее местоположения в электростатическом поле.

            «Химическая энергия»

            Электростатическая потенциальная энергия играет важную роль в химии; потенциальные энергии электронов в силовом поле, создаваемом атомными ядрами, лежат в основе химического поведения атомов и молекул.«Химическая энергия» обычно относится к энергии, которая хранится в химических связях молекул. Эти связи образуются, когда электроны способны реагировать на силовые поля, создаваемые двумя или более атомными ядрами, поэтому их можно рассматривать как проявление электростатической потенциальной энергии. В экзотермической химической реакции электроны и ядра в реагентах претерпевают перегруппировку в продукты, обладающие более низкой энергией, и разница передается в окружающую среду в виде тепла.

            Взаимное преобразование потенциальной и кинетической энергии

            Переходы между потенциальной и кинетической энергией — настолько интимная часть нашей повседневной жизни, что мы почти не задумываемся о них. Это происходит при ходьбе, когда тело движется вверх и вниз. Наше тело использует химическую энергию глюкозы, чтобы согреться и двигать мышцами. Фактически, сама жизнь зависит от преобразования химической энергии в другие формы.

            Энергия сохраняется: ее нельзя ни создать, ни уничтожить.Поэтому, когда вы идете в гору, ваша кинетическая энергия преобразуется в потенциальную энергию, которая снова превращается в кинетическую энергию, когда вы спускаетесь по другой стороне. И откуда взялась кинетическая энергия, которую вы потратили на подъем в гору? Преобразованием некоторой части химической потенциальной энергии в хлопьях для завтрака.

            • Когда книга падает, ее потенциальная энергия преобразуется в кинетическую. Когда он ударяется об пол, эта трансформация завершается. Что тогда происходит с энергией? Кинетическая энергия, которая в момент удара раньше находилась исключительно в движущейся книге, теперь распределяется между книгой и полом в форме случайных тепловых движений молекулярных единиц, из которых они состоят; мы можем наблюдать этот эффект как повышение температуры.
            • ← Большая часть потенциальной энергии падающей воды может быть захвачена водяным колесом или другим устройством, которое преобразует кинетическую энергию выходящей воды в кинетическую энергию. Мощность гидроэлектростанции прямо пропорциональна ее высоте над уровнем генераторных турбин в долине внизу. В этот момент кинетическая энергия воды на выходе передается кинетической энергии турбины, большая часть которой (до 90 процентов в самых крупных установках) затем преобразуется в электрическую энергию.
            • Будет ли температура воды внизу водопада выше, чем наверху? Сам Джеймс Джоуль предсказал, что так и будет. Было подсчитано, что при водопаде Ниагра полное преобразование потенциальной энергии 1 кг воды наверху в кинетическую энергию при попадании в бассейн для погружения на 58 метров ниже приведет к повышению температуры примерно на 0,14 ° C. (Но есть много осложнений. Например, часть воды при падении распадается на крошечные капли, и вода испаряется из капель довольно быстро, создавая охлаждающий эффект.)
            • Химическая энергия также может быть преобразована, по крайней мере частично, в электрическую: это то, что происходит в батарее. Если в результате сильно экзотермической реакции также образуются газообразные продукты, последние могут расширяться настолько быстро, что в результате возникает взрыв — чистое преобразование химической энергии в кинетическую энергию (включая звук).

            Тепловая энергия

            Кинетическая энергия связана с движением, но двумя разными способами. Для макроскопического объекта, такого как книга, мяч или кусок текущей воды, это просто ½ mv 2 .

            Но, как мы упоминали выше, когда объект падает на пол или когда экзотермическая химическая реакция нагревает окружающее вещество, кинетическая энергия рассеивается в молекулярных единицах в окружающей среде. Эта «микроскопическая» форма кинетической энергии, в отличие от движущейся пули, совершенно случайна по типам движений, которые она демонстрирует, и в ее направлении. Мы называем это «термализованной» кинетической энергией, или более просто тепловой энергией . Мы наблюдаем последствия этого как повышение температуры окружающей среды.Температура тела — это прямая мера количества содержащейся в нем тепловой энергии.

            Тепловую энергию невозможно полностью восстановить

            После термализации кинетической энергии только часть ее может быть преобразована обратно в потенциальную энергию. Остаток просто рассеивается и растворяется в окружающей среде и фактически теряется.

            Подводя итог, то:

            • Потенциальная энергия может быть полностью преобразована в кинетическую энергию.
            • Потенциальная энергия также может быть преобразована с разной степенью эффективности в электрическую энергию.
            • Кинетическая энергия макроскопических объектов может передаваться между объектами (исключая эффекты трения).
            • Когда кинетическая энергия термализуется, только часть ее может быть преобразована обратно либо в потенциальную энергию, либо обратно сконцентрирована в кинетической энергии макроскопического объекта. Это ограничение, не имеющее ничего общего с технологией, но являющееся фундаментальным свойством природы, является предметом обсуждения.
            • Устройство, предназначенное для частичного преобразования тепловой энергии в организованную кинетическую энергию, известно как тепловая машина .

            Весы и единицы измерения энергии

            Сначала вы можете подумать, что книга, лежащая на столе, имеет нулевую кинетическую энергию, поскольку не движется. Но если подумать, сама земля движется; он вращается вокруг своей оси, он вращается вокруг Солнца, а само Солнце удаляется от других звезд в общем расширении Вселенной. Поскольку эти движения обычно нас не интересуют, мы можем выбрать произвольную шкалу, в которой скорость книги измеряется относительно стола; в этой так называемой лабораторной системе координат кинетическая энергия книги может считаться нулевой.

            То же самое проделываем и с потенциальной энергией. Если книга лежит на столе, ее потенциальная энергия по отношению к поверхности стола будет равна нулю. Если мы примем это за ноль потенциальной энергии, а затем столкнем книгу со стола, ее потенциальная энергия будет отрицательной после того, как она достигнет пола. Энергия измеряется с точки зрения ее способности выполнять работу или передавать тепло. Механическая работа выполняется, когда сила f перемещает объект на расстояние d :

            w = f × d .

            Базовая единица энергии — джоуль . Один джоуль — это количество работы, выполняемой при воздействии силы в 1 ньютон на расстояние 1 м; таким образом, 1 Дж = 1 Н-м. Ньютон — это сила, необходимая для ускорения массы весом 1 кг на 1 м / с 2 , поэтому основные размеры джоуля равны кг м 2 с –2 . Два других агрегата широко используются. калорий и BTU (британская тепловая единица) определены с точки зрения теплового воздействия на воду.Из-за множества форм, которые может принимать энергия, существует соответственно большое количество единиц, в которых она может быть выражена, некоторые из которых кратко описаны ниже.

            1 калория повысит температуру 1 г воды на 1 ° C. «Диетическая» калорийность на самом деле составляет 1 ккал. В среднем молодой взрослый тратит около 1800 ккал в день, чтобы остаться в живых.

            (вы должны знать это определение)

            1 кал = 4.184 Дж
            1 BTU (британская тепловая единица) повысит температуру 1 фунта воды на 1 ° F. 1 БТЕ = 1055 Дж
            эрг — это КП. единица энергии и очень маленькая; работа, выполняемая, когда сила 1-дина действует на расстоянии 1 см.

            1 Дж = 10 7 эрг
            1 эрг = 1 д-см = 1 г см 2 с –2

            Электрон-вольт еще меньше: 1 э-в — это работа, необходимая для перемещения единичного электрического заряда (1 Кл) через разность потенциалов в 1 вольт. 1 Дж = 6,24 × 10 18 э-в
            Ватт — это единица мощности, которая измеряет скорость потока энергии в Дж с –1 . Таким образом, ватт-час — это единица измерения энергии. Средний человек потребляет около 100 ватт энергии; только мозг работает примерно на 5 Вт.

            1 Дж = 2,78 × 10 –4 ватт-час
            1 Вт-час = 3,6 кДж

            Модель литров в атмосфере представляет собой вариант работы силы-вытеснения, связанной с изменениями объема в газах. 1 л-атм = 101,325 Дж
            Огромное количество энергии, потребляемой городами и странами, выражается в квадратах ; therm — аналогичный, но меньший по размеру блок. 1 четырехъядерный = 10 15 БТЕ = 1,05 × 10 18 Дж
            Если цель состоит в том, чтобы уничтожить города или страны с помощью ядерного оружия, выбираемая единица энергии — тонн в тротиловом эквиваленте . 1 тонна тротила = 4,184 ГДж
            (по определению)
            В пересчете на ископаемое топливо , мы имеем эквивалент барреля нефти, кубический метр природного газа и эквивалент тонны угля.

            1 бнэ = 6,1 ГДж
            1 смge = 37-39 мДж
            1 точе = 29 ГДж

            преобразований энергии | Texas Gateway

            Этот ресурс представляет собой сборник текста, видео и других элементов, призванных создать для учащихся комплексный опыт обучения 5E.Это предназначено для обучения Уровня I в рамках модели «Реакция на вмешательство» (RtI) для 6-го класса по естественным наукам TEKS (9) (C), в частности, преобразования энергии.

            Обязательно проверьте наличие необходимых знаний и навыков, а также потребности в дифференциации, просмотрев весь ресурс и связанные элементы, прежде чем назначать их своим ученикам или работать над ними.

            Этот ресурс можно использовать для обучения по-разному.

            • Использование с одним компьютером и проектором; этот ресурс можно преподавать в традиционном классе.
            • Используйте с комбинацией индивидуальных компьютеров учеников, компьютера учителя и проектора (в компьютерном классе или в другой среде 1: 1).
            • Назначьте ресурс учащимся в качестве работы, которую нужно выполнять вне школьного дня в рамках «перевернутого класса», чтобы можно было подавать заявки, практиковаться и получать дополнительную поддержку в течение учебного дня.
            • Используйте со студентами в качестве учебных пособий.
            • Поделитесь с родителями, чтобы рассказать им о том, что их ребенок изучает в школе.
            • Используется с учащимися, которые не могут участвовать в традиционной учебной среде.

            Engage
            Engage призван быть веселым и веселым. Иногда достаточно глупого изображения или видео, чтобы заставить учеников задуматься над одним словом или концепцией. Не каждый урок естествознания должен начинаться с чего-то академического или научного; иногда улыбка — это все, что нужно, чтобы заинтересовать учащихся.

            Исследуйте
            Студенты просматривают видео с установкой мирового рекорда на машине Руба Голдберга. Это предназначено для того, чтобы учащиеся думали о том, сколько различных типов энергии присутствует, и наблюдали, как энергия изменяется или претерпевает «преображение».»

            Классная комната
            Если возможно, предложите учащимся выполнить некоторые практические задания, иллюстрирующие преобразования энергии. Например, ручные генераторы являются отличным примером преобразования механической энергии в электрическую, которая может быть преобразована в свет. тепловая, звуковая и / или механическая энергия в зависимости от типа создаваемого контура.

            Объяснение
            Объяснение обсуждает, что такое преобразования энергии, как некоторые из них происходят в естественном мире без какого-либо вмешательства человека и как другие происходят из-за человеческой изобретательности, позволяющей использовать различные типы энергии для удовлетворения конкретных потребностей.Студенты должны понимать, что во многих ситуациях, таких как фонарики, электростанции и фонари, работающие на солнечной энергии, часто требуется несколько преобразований для достижения желаемого выхода энергии. Студентам часто трудно понять Закон сохранения энергии: энергия не создается и не разрушается; он просто меняет формы. В частности, студенты часто думают, что Солнце создает тепловую и световую энергию, когда на самом деле химическая энергия преобразуется в тепловую и световую энергию.

            Классный вариант
            Продвинутые или одаренные и талантливые учащиеся могут участвовать в обсуждении того, как формы энергии могут быть обозначены как потенциальные или кинетические.

            Elaborate
            Реальное применение преобразований энергии — это тема Elaborate. Чтобы ученики могли выполнить эту задачу, им нужно будет понять многие формы преобразования энергии. Им нужно будет иметь возможность использовать эту информацию для «преобразования» энергии, чтобы они могли опреснять воду из Мексиканского залива.Для завершения этой части ресурса может потребоваться неделя или больше, потому что учащимся нужно будет создать схемы, сформулировать бюджеты, построить прототип, представить свою идею, настроить свою идею на основе отзывов и поделиться своими улучшениями и общими размышлениями.

          Добавить комментарий

          Ваш адрес email не будет опубликован.