1_S_Physique_LE_TRAVAIL_D UNE_FORCE
(Не забравяйте да използвате командата „Предишна“ в браузъра и клавиша F 11 на клавиатурата)
РАБОТАТА НА СИЛА: НАЧИН НА ТРАНСФЕР НА ЕНЕРГИЯ - Урок n ° 7
Този урок има шест параграфа.
1- РАБОТА НА ТЕГЛОТО НА СВОБОДНО ПАДАЩО ТЯЛО - КИНЕТИЧЕН ТРАНСФЕР НА ЕНЕРГИЯ.
- Твърдото вещество с маса m е в свободно падане, ако е подложено само на теглото му = m. (като вектор на земната гравитация). Следователно би било необходимо да се премахне триенето на въздуха и Архимедовата тяга чрез работа във вакуум.
Опитът показва, че във вакуум всички тела имат един и същ закон на падане, независимо от техните маси.
- Въпреки това, в присъствието на въздух, човек може да постигне почти "свободно" падане, като вземе малък и тежък предмет (тягата на Архимед тогава е незначителна в сравнение с теглото) и като придаде на този обект аеродинамична форма (фрикционният въздух тогава незначително, особено ако се ограничим до първата секунда на падане без начална скорост, по време на която скоростта не достига значителна стойност).
1.1- Експеримент: Свободно падане, без първоначална скорост, на малка стоманена топка в земната референтна рамка
Софтуер, който записва падането на топката, дава възможност да се получат следните резултати (време t = 0,040 s изминава между записа на точки Ao, A 1, A 2, A 3 и т.н.).
Височина на капка
V i = A i - 1 A i + 1/2 t
1.2- Връзка между височината на падане и скоростта
- Кривата, свързана с V = f (H), не позволява да се заключи.
- Нека да конструираме кривата, свързана с V² = F (H)
Кривата показва, че V² е линейна функция от височината на падане H:
V ² = K ´ H (1)
Водещият коефициент е:
През последната година ще видим, че 1 m/s² = 1 N/kg. Следователно можем да напишем:
Тази стойност на K е на стойност двойно по-голяма от стойността на гравитационното поле g = 9,80 N/kg:
Този експериментален резултат не е просто съвпадение, теоретичната демонстрация ще бъде дадена в последния клас.
Нека пренесем по отношение (1):
Умножете тази последна връзка по m (m е масата на топката):
Сега m ´ g ´ H представлява работата на тежестта = m по време на падане от височина H.
Работата W () се изразява в джаул (J), същото е и за величината m ´ V ², която в превод наричаме кинетична енергия на топката.
1.3 - Определение на кинетичната енергия на твърдо вещество в транслация
Твърдото тяло в транслационно движение (всички точки са анимирани от един и същ вектор на скоростта) има кинетична енергия:
Единици: Ec е в джаул (J), m е в килограм (kg), V е в метър в секунда (m/s).
Забележка: Всяко твърдо вещество в движение се състои от частици с маси m 1, m 2, m 3 и т.н. анимирани с различни скорости V 1, V 2, V 3 и т.н. Неговата кинетична енергия е написана:
Ec = m 1 ´ V 1 ² + m 2 ´ V 2 ² + m ´ V 3 ² +. (8)
1.4- Прехвърляне на енергия чрез работа с тежести
Отношението (6) m ´ V ² = W () показва, че работата на теглото на топката е позволила да й се предаде кинетична енергия m ´ V ² (тази кинетична енергия варира, тъй като е била нула в началото на Ao).
В следващия параграф ние обобщаваме този резултат.
2- ИЗМЕНЕНИЕ НА КИНЕТИЧНАТА ЕНЕРГИЯ НА ТВЕРДАТА ПРЕВОДА И РАБОТАТА НА ВЪНШНИТЕ СИЛИ
В референтната система на Галилей вариацията на кинетичната енергия на твърдото тяло, между два момента t начален и t окончателен, е равна на сумата от работата на външните сили, приложени към твърдото тяло между тези две моменти.
За твърдо в превод:
m.V² окончателен - m.V² начален = W () ext + W () ext +. (9)
Забележка: Това твърдение е частен случай на теоремата за вариацията на кинетичната енергия, валидна за всяка система, дори деформируема. Но в този случай скоростите на всяка частица, съставляваща системата, обикновено са различни, изразът на кинетичната енергия трябва да вземе това предвид. Освен това е необходимо да се вземе предвид не само работата на силите, причините за които са външни за изследваната система, но и работата на вътрешните в системата сили.
Теорема за изменение на кинетичната енергия:
В една референтна система на Галилей вариацията на кинетичната енергия на която и да е система, между два момента t начален и t окончателен, е равна на сумата от произведенията на вътрешните и външните сили, приложени към системата между тези две моменти.
Ec окончателен - Ec първоначален = W ext + W int
Това общо твърдение няма да се използва в първи клас.
3- РАБОТА НА СИЛА И ПОТЕНЦИАЛНА ЕНЕРГИЯ НА ТВЪРДО ВЪЗДЕЙСТВИЕ СЪС ЗЕМЯТА
3.1- Опит
- Току-що видяхме, че когато една топка падне, работата на тежестта позволява да се предаде на топката кинетична енергия m ´ V ² .
- Какво се случва сега, когато операторът повдигне труп от земя А, където той е в покой, до точка Б, където той го държи неподвижен ?
Галилеева референтна рамка: твърдата Земя, с която свързваме ортонормалната референтна система (O,).
Изследвана система: топката с маса m.
Приложени сили:
- теглото = m, което по същество представлява гравитационното привличане на Земята върху топката .
- силата, упражнявана от оператора върху топката .
- Видяхме (по-горе), че в галилеева референтна рамка варирането на кинетичната енергия на твърдо вещество в транслация, между два момента t начален и t окончателен, е равно на сумата от работата на външните сили, приложени към твърдо между тези два момента.
m V² окончателен - m V² начален = W () + W () +. (9)
Тук е написана тази теорема с V A = V B = 0 m/s:
Работата с тежести не зависи от пътя, по който се стига от А до Б (вж. Урок 6) .
С унция ос, обърната нагоре, пишем:
Подобно на z B> z A, работата на тежестта е отрицателна, устойчива, докато операторът повдига топката от A на B.
Нека вземем стойността му във връзка (10):
W () = - m g (z A - z B) = m g (z B - z A)> 0 (12)
Силата, упражнявана от оператора, осигурява двигателна работа при преместване от А на Б.
3.2- Определяне на потенциалната енергия на твърдо вещество при взаимодействие със Земята
Отношение (12) може да се запише W () = Ep B - Ep A, като се постави:
Ep A = mgz A + cte
Ep B = mgz B + cte
Тази константа представлява стойността на Ep 0 на височина z = 0 m.
За да опростим, приемаме по конвенция Ep 0 = 0 J за z = 0 m и накрая:
Потенциалната енергия на твърдо вещество, взаимодействащо със Земята, се определя от:
Винаги е необходимо да се посочи точката, спрямо която човек намира височините z.
Отношението mg (z B - z A) = W () показва, че работата на силата, упражнявана от оператора върху топката, е позволила да се предаде на топката във взаимодействие със Земята потенциална енергия mg (z B - z AT).
- Неправилно е да се говори за потенциалната енергия на топката. От съществено значение е да се говори за потенциалната енергия на топката при взаимодействие със Земята. Някои автори говорят и за потенциалната енергия на системата на твърдата Земя .
В израза Ep = m g z (13) Земята се намесва чрез земния вектор на гравитацията .
В първия клас ще се ограничим до ситуации, разположени в близост до Земята, за да можем да считаме g като константа. Всъщност, за движения, при които разликата във височината би била голяма, трябва да се преразгледа отношението W AB () = m g (z A - z B), за да се вземе предвид вариацията на g с надморската височина.
- Тази потенциална енергия на взаимодействащата със Земята топка е по-голяма в точка B, отколкото в точка A. Ако от B изпуснем топката, тази потенциална енергия на топката при взаимодействие със Земята ще се трансформира в кинетична енергия.
4- ВЪЗМОЖНО ОПАЗВАНЕ НА СБОРАТА Ec + Ep = Em
Да вземем случая на твърдо вещество с маса M при свободно падане (твърдото тяло, имащо праволинейно транслационно движение).
Да разгледаме всякакви две точки 1 и 2 от траекторията на центъра на инерцията G на твърдото тяло.
Връзка (9) (виж по-горе) е написана:
M V 2 ² - M V 1 ² = W () (14)
С ос, ориентирана нагоре, имаме:
Нека вземем във връзка (14):
M V 2 ² - M V 1 ² = m g (z 1 - z 2) (16)
M V 2 ² + M g z 2 = M V 1 ² + M g z 1 (17)
Сумата Em = Ec + Ep = M V² + M g z (18) понякога се нарича механична енергия на твърдото вещество при взаимодействие със Земята .
Връзка (17) е написана:
Резултат: Сборът от кинетичната енергия и потенциалната енергия на твърдо вещество се запазва само при взаимодействие със Земята.
Ако се упражняват сили, различни от тежестта, тази сума M V² + M g z обикновено не се запазва, освен ако тези сили не осигуряват никаква работа.
Забележка: Ако триенето с въздуха не е незначително, сумата от енергиите M V² + M g z намалява. Появява се нова форма на енергия: топлинна енергия.
5- ДРУГИ ЕФЕКТИ ОТ РАБОТА НА СИЛА
6- ОБЩА ЕНЕРГИЯ НА СИСТЕМА
Забележка: Същите фактори (температура, налягане, структура) се намесват, ако изследваната система е сложна.
Най-простият случай за изследване е случаят с едноатомния идеален газ, тъй като тогава се намесва само температурата.
- Стойността на U се определя само до константа. Измерими са само вариациите D U на вътрешната енергия на тялото.
Пример: Вътрешната енергия се увеличава при преминаване от лед към течна вода:
Ендоергична трансформация: D U = 5994 J/mol при p = 1,013 ´ 10 5 Pa и t = 0 ° C
При p = 1,013 ´ 10 5 Pa и t = 0 ° C, външната среда трябва да осигури 5994 J, за да трансформира 1 mol лед (т.е. 18 g лед) в 1 mol течна вода. Вътрешната енергия на този мол вода варира от + 5994 джаула.
6.3 Общата енергия на изолирана система е постоянна.
Системата не може да обменя нито материя, нито енергия с външната среда. Независимо от това, той сам по себе си вече има енергия.
Общата енергия на изолирана система е постоянна, въпреки че енергийните трансформации от един тип в друг тип могат да се извършват в системата.
Пример: Вселената е изолирана система. Общата му енергия е постоянна. Това е сумата от всички форми на енергия: макроскопична кинетична енергия, макроскопична потенциална енергия, електрическа енергия (вижте следващите уроци), магнитна енергия, ядрена енергия, вътрешна енергия и т.н.
Айнщайн показа, че е необходимо да се включи енергията, свързана с масата (виж обучението в последната година).
6.4 Неизолирана система. Обмен на енергия с околната среда.
Помислете за система, която не обменя материя с външността, но която може да обменя енергия с тази външна среда. Видяхме по-горе, че тази система се казва затворена .
а - енергиен обмен.
Обменът на енергия между системата и отвън може да се осъществи по три начина:
Външната среда може да упражнява сили върху системата. Ако точките на приложение на тези сили се движат, те могат да развият произведение W. Това произведение е алгебрично. Ако W е положително, тогава общата енергия на системата се увеличава. Ако W е отрицателно, енергията на системата намалява.
Подобно на изследваната система, външната среда има част от енергията си, свързана с термично възбуждане. Ако термичното разклащане отвън намалява, енергията на системата се увеличава и обратно. Топлообменът ще бъде изучен по-подробно в следващия урок. Ще обозначим с Q обмена на топлинна енергия между екстериора и системата. Ако Q> 0, тогава енергията на системата се увеличава.
- Обмен на енергия чрез радиация.
Оранжерията получава енергия от слънчевата радиация. Общата му енергия се увеличава, по същество вътрешната му енергия. Ще говорим отново за радиацията в следващия урок. .
б- Изразяване на енергийното изменение на затворена система .
Заключението на анализа, представен в тази глава, може да бъде изразено в следната форма:
С всяка система в дадено състояние може да се асоциира величина, наречена енергия на системата. Ако енергията на системата се увеличава или намалява, това е така, защото тя е получила или се е отказала от енергия, било чрез работа, чрез пренос на топлина или чрез лъчение.
Имайте предвид, че енергията E на дадена система е постоянна величина, прикрепена към нейното състояние, докато работата на сила, преносът на топлинна енергия Q или излъчването са ефимерни величини, свързани с трансформациите (които имат ограничена продължителност).
Познания по физика 7
Решен проблем n ° 7-A: Кинетична енергия - Наклонена равнина (Bac 1997)
Проблем # 7-B (за решаване): Движение на камък, хвърлен вертикално