1_S_Physique_LE_TRAVAIL_D UNE_FORCE
(Не забувайте використовувати команду "Попередній" у браузері та клавішу F 11 на клавіатурі)
РОБОТА СИЛИ: РЕЖИМ ПЕРЕДАЧИ ЕНЕРГІЇ - Урок n ° 7
Цей урок має шість абзаців.
1- РОБОТА ВАГИ ВІЛЬНО ПАДАЮЧОГО ТІЛА - КІНЕТИЧНА ЕНЕРГЕТИЧНА ТРАНСФЕРА.
- Тверде тіло масою m знаходиться у вільному падінні, якщо воно піддається лише його вазі = m. (будучи вектором земної гравітації). Тому було б необхідно усунути тертя повітря і архімедову тягу, працюючи у вакуумі.
Досвід показує, що у вакуумі всі тіла мають однаковий закон падіння незалежно від їх маси.
- Тим не менше, у присутності повітря можна досягти майже "вільного" падіння, взявши невеликий і важкий предмет (тяга Архімеда тоді незначна в порівнянні з вагою) і надавши цьому об'єкту аеродинамічну форму (повітря тертя тоді незначно, особливо якщо ми обмежимось першою секундою падіння без початкової швидкості, під час якої швидкість не досягає значного значення).
1.1 - Експеримент: Вільне падіння без початкової швидкості невеликого сталевого кульки у наземній системі відліку
Програмне забезпечення, яке зафіксувало падіння кулі, дозволило отримати такі результати (час t = 0,040 с проходить між записом точок Ao, A 1, A 2, A 3 тощо).
Висота падіння
V i = A i - 1 A i + 1/2 т
1.2- Зв'язок між висотою падіння та швидкістю
- Крива, пов'язана з V = f (H), не дозволяє зробити висновок.
- Побудуємо криву, пов'язану з V² = F (H)
Крива показує, що V² є лінійною функцією висоти падіння H:
V ² = K ´ H (1)
Керівним коефіцієнтом є:
В останньому році ми побачимо, що 1 м/с² = 1 Н/кг. Тому ми можемо написати:
Це значення K має значення вдвічі більше значення поля тяжіння g = 9,80 Н/кг:
Цей експериментальний результат - не простий збіг обставин, теоретична демонстрація буде подана у підсумковому класі.
Візьмемо у співвідношенні (1):
Помножте це останнє співвідношення на m (m - маса кулі):
Тепер m ´ g ´ H представляє роботу ваги = m під час падіння з висоти H.
Робота W () виражається в джоулях (J), вона однакова для величини m ´ V ², яку ми називаємо кінетичною енергією кулі в перекладі.
1.3 - Визначення кінетичної енергії твердого тіла при перекладі
Тіло в поступальному русі (всі точки анімовані однаковим вектором швидкості) має кінетичну енергію:
Одиниці виміру: Ec - в джоулях (J), m - в кілограмах (kg), V - в метрах на секунду (m/s).
Примітка: Будь-яке тверде тіло, що рухається, складається з частинок мас m 1, m 2, m 3 тощо. анімовані з різною швидкістю V 1, V 2, V 3 тощо. Його кінетична енергія записана:
Ec = m 1 ´ V 1 ² + m 2 ´ V 2 ² + m ´ V 3 ² +. (8)
1.4- Передача енергії важкою роботою
Співвідношення (6) m ´ V ² = W () показує, що робота ваги кульки дозволяла передавати їй кінетичну енергію m ´ V ² (ця кінетична енергія змінювалась, оскільки на початку Ao вона була нульовою).
У наступному параграфі ми узагальнюємо цей результат.
2- ЗМІНЕННЯ КІНЕТИЧНОЇ ЕНЕРГІЇ ТВЕРДОЇ ТВЕРДОСТІ В ПЕРЕКЛАДІ ТА РОБОТА ЗОВНІШНИХ СИЛ
У галілеевій системі відліку зміна кінетичної енергії твердого тіла, між двома моментами t початковим і t кінцевим, дорівнює сумі роботи зовнішніх сил, прикладених до твердого тіла між цими двома моментами.
Для твердого в перекладі:
m.V² кінцевий - m.V² початковий = W () ext + W () ext +. (9)
Примітка: Це твердження є приватним випадком теореми про зміну кінетичної енергії, справедливої для будь-якої системи, навіть деформується. Але в цьому випадку швидкості кожної частинки, що становить систему, як правило, різні, вираження кінетичної енергії повинно це враховувати. Більше того, необхідно враховувати не тільки роботу сил, причини яких є зовнішніми для досліджуваної системи, але і роботу внутрішніх у системі сил.
Теорема про зміну кінетичної енергії:
У галілеевій системі відліку варіація кінетичної енергії будь-якої системи між двома моментами t початковим і t кінцевим дорівнює сумі робіт внутрішніх і зовнішніх сил, прикладених до системи між цими двома моментами.
Ec final - EC початковий = W ext + W int
Це загальне твердження не буде використовуватися в першому класі.
3- РОБОТА СИЛИ І ПОТЕНЦІАЛЬНА ЕНЕРГІЯ ТВЕРДОЇ ТВЕРДОЇ ВЗАЄМОДІЇ З ЗЕМЛЕЮ
3.1- Досвід
- Ми щойно бачили, що коли кулька падає, робота ваги дозволяє передавати кульці кінетичну енергію m ´ V ² .
- Що відбувається зараз, коли оператор піднімає колоду з землі А, де вона перебуває в стані спокою, до точки В, де він тримає її нерухомо ?
Галілеєва система відліку: тверда Земля, з якою ми пов’язуємо ортонормальну систему відліку (O,).
Вивчена система: куля масою m.
Застосовувані сили:
- вага = m, який по суті представляє гравітаційне тяжіння Землі на кулі .
- зусилля, яке чинить оператор на м’яч .
- Ми бачили (вище), що в системі відліку Галілея зміна кінетичної енергії твердого тіла при перекладі між двома моментами t початковим і t кінцевим дорівнює сумі роботи зовнішніх сил, прикладених до твердий між цими двома моментами.
m V² кінцевий - m V² початковий = W () + W () +. (9)
Тут написана ця теорема з V A = V B = 0 м/с:
Робота з вагою не залежить від шляху, який пройшов шлях від А до В (див. Урок 6) .
З віссю унції, зверненою вгору, пишемо:
Як і z B> z A, робота ваги є негативною, стійкою, тоді як оператор піднімає м'яч з А на В.
Візьмемо його значення у співвідношенні (10):
W () = - m g (z A - z B) = m g (z B - z A)> 0 (12)
Сила, що діє на оператора, забезпечувала роботу двигуна при переході від А до В.
3.2 - Визначення потенційної енергії твердого тіла при взаємодії з Землею
Відношення (12) можна записати W () = Ep B - Ep A, поставивши:
Ep A = mgz A + cte
Ep B = mgz B + cte
Ця константа представляє значення Ep 0 на висоті z = 0 м.
Для спрощення візьмемо за домовленістю Ep 0 = 0 J для z = 0 m і, нарешті:
Потенційна енергія твердого тіла, що взаємодіє із Землею, визначається:
Завжди необхідно вказати точку, щодо якої ми знаходимо висоти z.
Співвідношення mg (z B - z A) = W () показує, що робота сили, що діє оператором на кульку, дала можливість передавати кульці у взаємодії з Землею потенційну енергію mg (z B - z AT).
- Неправильно говорити про потенційну енергію кулі. Важливо говорити про потенційну енергію кулі у взаємодії із Землею. Деякі автори також говорять про потенційну енергію твердотільної системи .
У виразі Ep = m g z (13) Земля втручається земним вектором гравітації .
У першому класі ми обмежимося ситуаціями, розташованими поблизу Землі, щоб ми могли вважати g постійним. Дійсно, для рухів, де різниця висот буде великою, слід переглянути співвідношення W AB () = m g (z A - z B), щоб врахувати коливання g з висотою.
- Ця потенційна енергія кульки, що взаємодіє із Землею, більша в точці B, ніж у точці A. Якщо з B ми опустимо кульку, ця потенційна енергія кульки у взаємодії із Землею перетвориться на кінетичну енергію.
4- МОЖЛИВЕ ЗБЕРЕЖЕННЯ СУМИ Ec + Ep = Em
Візьмемо випадок твердого тіла маси М у вільному падінні (твердого тіла, що має прямолінійний поступальний рух).
Розглянемо будь-які дві точки 1 і 2 траєкторії руху центру інерції G твердого тіла.
Співвідношення (9) (див. Вище) написано:
M V 2 ² - M V 1 ² = W () (14)
З осі унції, орієнтованої вгору, ми маємо:
Візьмемо у співвідношенні (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)
Суму Em = Ec + Ep = M V² + M g z (18) іноді називають механічною енергією твердого тіла у взаємодії із Землею .
Співвідношення (17) написано:
Результат: Сума кінетичної енергії та потенційної енергії твердого тіла зберігається лише у взаємодії з Землею.
Якщо діють сили, відмінні від ваги, ця сума M V² + M g z, як правило, не зберігається, якщо ці сили не забезпечують жодної роботи.
Примітка: Якщо тертя з повітрям не є незначним, сума енергій M V² + M g z зменшується. З'являється нова форма енергії: теплова енергія.
5- ІНШІ ЕФЕКТИ РОБОТИ СИЛИ
6- ЗАГАЛЬНА ЕНЕРГІЯ СИСТЕМИ
Примітка: однакові фактори (температура, тиск, структура) впливають, якщо досліджувана система є складною.
Найпростіший для вивчення випадок - це одноатомний ідеальний газ, оскільки тоді втручається лише температура.
- Значення U визначається лише до константи. Вимірюваними є лише варіації D U внутрішньої енергії тіла.
Приклад: Внутрішня енергія збільшується при переході з льоду на рідку воду:
Ендоергічне перетворення: D U = 5994 Дж/моль при p = 1,013 ´ 10 5 Па та t = 0 ° C
При p = 1,013 ´ 10 5 Па і t = 0 ° C зовнішнє середовище повинно забезпечити 5994 Дж для перетворення 1 моль льоду (тобто 18 г льоду) в 1 моль рідкої води. Внутрішня енергія цієї молі води коливалася від + 5994 джоулів.
6.3 Загальна енергія ізольованої системи постійна.
Система не може обмінюватися ні речовиною, ні енергією із зовнішнім середовищем. Тим не менше, воно вже має, саме по собі, енергію.
Загальна енергія ізольованої системи є постійною, хоча перетворення енергії від одного типу до іншого типу можуть відбуватися всередині системи.
Приклад: Всесвіт - це ізольована система. Його загальна енергія постійна. Це сума всіх видів енергії: макроскопічна кінетична енергія, макроскопічна потенційна енергія, електрична енергія (див. Наступні уроки), магнітна енергія, ядерна енергія, внутрішня енергія тощо.
Ейнштейн показав, що необхідно включати енергію, пов'язану з масою (див. Викладання на останньому курсі).
6.4 Неізольована система. Обмін енергією з навколишнім середовищем.
Розглянемо систему, яка не обмінюється речовиною із зовнішністю, але яка може обмінюватися енергією із цим зовнішнім середовищем. Вище ми бачили, що ця система, як кажуть, закрита .
а - Обмін енергією.
Обмін енергією між системою та зовнішнім середовищем може відбуватися трьома способами:
Зовнішнє середовище може чинити сили на систему. Якщо точки прикладання цих сил рухаються, вони можуть розробити твір W. Ця робота є алгебраїчною. Якщо W позитивне, то загальна енергія системи збільшується. Якщо W від’ємне, енергія системи зменшується.
Подібно до вивченої системи, зовнішнє середовище має частину своєї енергії, пов'язаної з термічним збудженням. Якщо теплове збудження ззовні зменшується, енергія системи збільшується і навпаки. Теплообмін буде детально вивчено на наступному уроці. Позначимо через Q обмін тепловою енергією між зовнішнім середовищем та системою. Якщо Q> 0, тоді енергія системи збільшується.
- Обмін енергією випромінюванням.
Теплиця отримує енергію від сонячної радіації. Його загальна енергія збільшується, по суті, його внутрішня енергія. Про випромінювання ми знову поговоримо на наступному уроці. .
б- Вираз зміни енергії замкнутої системи .
Висновок аналізу, представлений у цій главі, може бути виражений у такій формі:
З будь-якою системою в даному стані можна пов’язати величину, яка називається енергією системи. Якщо енергія системи збільшується або зменшується, це відбувається тому, що вона отримала або відмовилася від енергії, чи то роботою, чи передачею тепла, чи випромінюванням.
Зверніть увагу, що енергія E системи є постійною величиною, прикріпленою до її стану, тоді як робота сили сили, передача теплової енергії Q або випромінювання є ефемерними величинами, пов'язаними з перетвореннями (тривалість яких обмежена).
Знання фізики 7
Вирішена проблема № 7-А: Кінетична енергія - похила площина (Bac 1997)
Завдання №7-Б (для вирішення): Рух каменя, кинутого вертикально