Энергия. Кинетическая и потенциальная энергия

Научиться понимать, что такое энергия, и различать кинетическую и потенциальную энергию по их физическому смыслу.

Энергия — основа всех процессов в природе и технике. Понимание энергии позволяет объяснить, почему движущиеся тела могут совершать работу, а поднятые предметы — падать, и как устроены многие механизмы, от часов до гидроэлектростанций.

• Энергия — физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело (или система тел).
• Энергия не возникает из ничего и не исчезает бесследно — она только переходит из одного вида в другой.
• Кинетическая энергия — это энергия движения: чем быстрее движется тело и чем больше его масса, тем больше его кинетическая энергия.
• Потенциальная энергия — это энергия взаимодействия: она зависит от взаимного расположения тел (например, высоты тела над Землёй).
• Кинетическая и потенциальная энергия могут переходить друг в друга, например, при падении тела или движении маятника.
• Единица измерения энергии в СИ — джоуль (Дж), названная в честь английского физика Джеймса Джоуля.

Энергия

Физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело. Чем больше энергия, тем большую работу может совершить тело.

Кинетическая энергия

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. Она зависит от массы тела и его скорости.

Потенциальная энергия

Энергия, которой обладает тело вследствие взаимодействия с другими телами (например, с Землёй) или вследствие своего положения (например, высоты).

Работа

Физическая величина, равная произведению силы на путь, пройденный телом под действием этой силы. Работа измеряет изменение энергии.

Джоуль

Единица измерения работы и энергии в системе СИ. 1 Дж — это работа, совершаемая силой в 1 ньютон на пути в 1 метр.

• Формула кинетической энергии: Eк = (m·v²)/2, где m — масса тела, v — его скорость. Это значит, что энергия растёт пропорционально квадрату скорости.
• Формула потенциальной энергии тела, поднятого над Землёй: Eп = m·g·h, где m — масса, g — ускорение свободного падения (≈9,8 Н/кг), h — высота над уровнем Земли.
• Энергия измеряется в джоулях (Дж). Например, 1 Дж — это энергия, необходимая, чтобы поднять яблоко массой 100 г на высоту 1 метр.
• Если тело находится в покое на поверхности Земли, его потенциальная энергия относительно Земли равна нулю.
• При падении тела его потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая увеличивается — но суммарная механическая энергия (если нет трения) остаётся постоянной.

1. Пример 1случай
   • Летящий футбольный мяч обладает кинетической энергией: чем сильнее ударил игрок, тем быстрее летит мяч и тем большую работу он может совершить (например, разбить стекло)
2. Пример 2случай
   • Камень, лежащий на краю обрыва, обладает потенциальной энергией: если он упадёт, эта энергия превратится в кинетическую, и камень сможет совершить работу (например, выбить ямку в земле)
3. Пример 3случай

   Маятник часов

   Пояснение

   • в крайних точках он имеет максимальную потенциальную энергию, а в нижней точке — максимальную кинетическую
   • При этом полная механическая энергия маятника остаётся примерно постоянной
4. Пример 4случай
   • Автомобиль, движущийся по шоссе, имеет кинетическую энергию
   • При торможении она превращается в тепловую энергию (нагреваются тормозные колодки)

• Самый мощный источник энергии на Земле — Солнце. Каждую секунду оно излучает энергию, которой хватило бы для удовлетворения потребностей человечества на много лет вперёд.
• Кинетическая энергия пули, выпущенной из ружья, примерно равна энергии, которую получает теннисный мяч при подаче профессионального игрока — но из-за малой массы пуля движется гораздо быстрее.
• Потенциальная энергия воды в горных реках используется на гидроэлектростанциях: вода падает с плотины, и её энергия превращается в электрическую.

• Механическая работа
• Мощность
• Простые механизмы
• Закон сохранения энергии