1_S_Physique_LE_TRAVAIL_D UNE_FORCE
(Ne felejtse el használni a böngészőben az "Előző" parancsot és a billentyűzet F 11 gombját)
A HATÁS MŰKÖDÉSE: AZ ENERGIA ÁTADÁSÁNAK MÓDJA - 7. lecke
Ennek a leckének hat bekezdése van.
1- INGYENESEN HULLÓ TEST TÖMEGÉNEK MŰKÖDÉSE - KINETIKUS ENERGIA ÁTADÁS.
- Az m tömegű szilárd anyag szabad esésben van, ha csak annak súlya = m. (mivel a földi gravitációs vektor). Ezért vákuumban történő működéssel meg kell szüntetni a levegő súrlódását és az arkhimédészi tolóerőt.
A tapasztalatok azt mutatják, hogy légüres térben minden testnek ugyanaz az esési törvénye, tömegétől függetlenül.
- Mindazonáltal levegő jelenlétében szinte "szabad" esést lehet elérni egy kis és nehéz tárgy (Arkhimédész tolása elhanyagolható a súlyhoz képest) és ennek az objektumnak aerodinamikai alakzat megadásával (a súrlódó levegő ekkor elhanyagolható, különösen, ha a kezdeti sebesség nélküli esés első másodpercére korlátozódunk, amely során a sebesség nem éri el a jelentős értéket).
1.1 - Kísérlet: Egy kis acélgolyó szabad leesése kezdeti sebesség nélkül a földi referenciakeretben
Egy szoftver, amely rögzítette a labda esését, lehetővé tette a következő eredmények elérését (t = 0,040 s idő telik el az Ao, A 1, A 2, A 3 stb. Pontok rögzítése között).
Cseppmagasság
V i = A i - 1 A i + 1/2 t
1.2- A zuhanás magassága és a sebesség kapcsolata
- A V = f (H) értékhez tartozó görbe nem enged következtetni.
- Építsük meg a V² = F (H) görbét
A görbe azt mutatja, hogy V ² a H zuhanásmagasság lineáris függvénye:
V ² = K ´ H (1)
Az irányadó együttható:
Az utolsó évben azt látjuk, hogy 1 m/s² = 1 N/kg. Ezért írhatunk:
Ez a K értéke kétszer annyit ér, mint a gravitációs tér értéke g = 9,80 N/kg:
Ez a kísérleti eredmény nem egyszerű véletlen, az elméleti bemutatót az utolsó osztályban adjuk meg.
Vigyük az (1) összefüggésben:
Szorozzuk meg ezt az utolsó összefüggést m-rel (m a gömb tömege):
Most m ´ g ´ H a H = magasságból való leesés során m = m súly munkáját jelenti.
A W () munkát joule-ban (J) fejezzük ki, ez megegyezik az m ´ V ² mennyiséggel, amelyet fordításban a labda kinetikus energiájának nevezünk.
1.3- A szilárd anyag kinetikus energiájának meghatározása transzlációban
A transzlációs mozgásban szilárd (az összes pontot ugyanaz a sebességvektor animálja) kinetikus energiája van:
Egységek: Ec joule-ban (J), m kilogrammban (kg), V méterben másodpercenként (m/s).
Megjegyzés: Bármely mozgásban lévő szilárd anyag m 1, m 2, m 3 tömegű részecskékből áll. animált különböző sebességeken V 1, V 2, V 3 stb. Kinetikus energiája meg van írva:
Ec = m 1 "V 1 ² + m 2" V 2 ² + m "V 3" +. (8)
1.4- Energiaátadás súlymunkával
A (6) m ´ V ² = W () összefüggés azt mutatja, hogy a golyó súlyának munkája lehetővé tette számára, hogy m ´ V ² kinetikus energiát adjon át neki (ez a mozgási energia változott, mivel az Ao kezdeténél nulla volt).
A következő bekezdésben általánosítjuk ezt az eredményt.
2 - SZILÁRD ANYAGOK KINETIKAI ENERGIÁJÁNAK VÁLTOZÁSA FORDÍTÁSBAN ÉS A KÜLSŐ ERŐK MUNKA
Galileai vonatkoztatási rendszerben a szilárd anyag kinetikus energiájának változása két kezdeti és t végső pillanat között megegyezik a szilárd anyagra kifejtett külső erők munkájának összegével e két pillanat között.
A fordításban:
m.V² végleges - m.V² kezdeti = W () ext + W () ext +. (9)
Megjegyzés: Ez az állítás a kinetikus energia bármely rendszerre érvényes variációjának speciális esete, még deformálható is. De ebben az esetben a rendszert alkotó egyes részecskék sebessége általában különbözik, a kinetikus energia kifejezésekor ezt figyelembe kell venni. Ezenkívül figyelembe kell venni nemcsak azon erők munkáját, amelyeknek okai a vizsgált rendszeren kívül vannak, hanem a rendszeren belüli erők munkáját is.
Kinetikus energia variációs tétel:
Galilei vonatkoztatási rendszerben bármely rendszer kinetikus energiájának változása két kezdeti és t végső pillanat között megegyezik a belső és külső erők munkájának összegével, amelyeket a rendszer a két pillanat között alkalmaz.
Ec végleges - Ec kezdeti = W ext + W int
Ezt az általános állítást nem fogják használni az első osztályban.
3- AZ ERŐ MUNKÁJA ÉS SZILÁRD ANYAGOK POTENCIÁLIS ENERGIÁJA A FÖLDDEL
3.1- Tapasztalat
- Éppen azt láttuk, hogy amikor egy labda leesik, a súly munkája lehetővé teszi, hogy egy m ´ V ² mozgási energiát továbbítson a golyóba .
- Mi történik most, amikor a kezelő felemeli a rönköt az A földről, ahol nyugalmi állapotban van, egy B pontba, ahol mozdulatlanul tartja ?
Galilei referenciakeret: az a szilárd Föld, amelyhez az ortonormális referenciakeretet társítjuk (O,).
Vizsgált rendszer: az m tömegű labda.
Alkalmazott erők:
- a tömeg = m, amely lényegében a Föld gravitációs vonzerejét képviseli a gömbön .
- a kezelő által a golyóra kifejtett erő .
- Láttuk (fent), hogy egy galilei vonatkoztatási rendszerben a szilárd anyag kinetikus energiájának változása transzlációban két kezdeti és t végső pillanat között megegyezik a külső erők munkájának összegével. szilárd e két pillanat között.
m V² végleges - m V² kezdeti = W () + W () +. (9)
Itt ezt a tételt írják, V A = V B = 0 m/s:
A súlymunka nem függ az A-ból B-be jutás útjától (lásd 6. lecke) .
Az oz tengellyel felfelé nézve azt írjuk:
A z B> z A-hoz hasonlóan a súly munkája is negatív, ellenáll, míg a kezelő A-ból B-be emeli a labdát.
Vegyük az értékét a (10) összefüggésben:
W () = - m g (z A - z B) = m g (z B - z A)> 0 (12)
A kezelő által kifejtett erő motoros munkát biztosított, ha A-ból B-be mozgott.
3.2- A szilárd anyag potenciális energiájának meghatározása a Földdel kölcsönhatásban
A (12) kapcsolat W () = Ep B - Ep A írható:
Ep A = mgz A + cte
Ep B = mgz B + cte
Ez az állandó az Ep 0 értékét képviseli z = 0 m magasságban.
Az egyszerűség kedvéért vegyük az Ep 0 = 0 J értéket z = 0 m esetén, végül:
A Földdel kölcsönhatásban lévő szilárd anyag potenciális energiáját a következők határozzák meg:
Mindig meg kell adni azt a pontot, amelyhez viszonyítva az ember megkeresi a z magasságokat.
Az mg (z B - z A) = W () összefüggés azt mutatja, hogy az operátor által a golyóra kifejtett erő munkája lehetővé tette, hogy a Földdel kölcsönhatásban mg (z B - z) NÁL NÉL ).
- Helytelen a labda potenciális energiájáról beszélni. Elengedhetetlen a golyó potenciális energiájáról beszélni a Földdel való kölcsönhatásban. Egyes szerzők a szilárd-föld rendszer potenciális energiájáról is beszélnek .
Az Ep = m g z (13) kifejezésben a Föld a földi gravitációs vektor segítségével avatkozik be .
Az első osztályban a Föld közelében elhelyezkedő helyzetekre szorítkozunk, hogy a g-t állandónak tekinthessük. Valójában azoknál a mozgásoknál, ahol a magasságkülönbség nagy lenne, a W AB () = m g (z A - z B) összefüggést felül kell vizsgálni annak figyelembevétele érdekében, hogy a g magassággal változik.
- A Földdel kölcsönhatásban lévő gömbnek ez a potenciális energiája nagyobb a B pontban, mint az A. pontban. Ha B-ből eldobjuk a golyót, a golyónak ez a potenciális energiája a Földdel kölcsönhatásban kinetikus energiává alakul át.
4- A SZUM LEHETSÉGES MEGŐRZÉSE Ec + Ep = Em
Vegyük egy M tömegű szilárd anyag esését szabad esésben (a szilárd anyag egyenes vonalú transzlációs mozgással rendelkezik).
Vegyük figyelembe a szilárd anyag G tehetetlenségi középpontjának pályájának bármelyik 1. és 2. pontját.
A (9) összefüggés (lásd fent) íródott:
M V 2 ² - M V 1 ² = W () (14)
Felfelé irányított oz tengellyel rendelkezünk:
Vigyük a (14) vonatkozásában:
M V 2 - M V 1 = m g (z 1 - z 2) (16)
M V 2 ² + M g z 2 = M V 1 ² + M g z 1 (17)
Az Em = Ec + Ep = M V² + M g z (18) összeget néha a szilárd anyag mechanikai energiájának nevezik a Földdel kölcsönhatásban .
A (17) összefüggés írva:
Eredmény: A szilárd anyag kinetikus energiájának és potenciális energiájának összege konzerválódik.
Ha a súlytól eltérő erők fejtik ki hatását, akkor ez az M V² + M g z összeg általában nem konzervált, hacsak ezek az erők nem nyújtanak munkát.
Megjegyzés: Ha a levegővel való súrlódás nem elhanyagolható, az M V² + M g z energiák összege csökken. Új energiaforma jelenik meg: hőenergia.
5- AZ ERŐ MUNKÁJÁNAK EGYÉB HATÁSAI
6- A RENDSZER ÖSSZESEN ENERGIÁJA
Megjegyzés: Ugyanazok a tényezők (hőmérséklet, nyomás, szerkezet) lépnek közbe, ha a vizsgált rendszer összetett.
A legegyszerűbb tanulmányozni az egyatomos ideális gáz esetét, mert akkor csak a hőmérséklet lép közbe.
- Az U értékét csak konstansra határozzuk meg. Csak a test belső energiájának D U variációi mérhetők.
Példa: A belső energia nő, ha jégről folyékony vízre váltunk:
Endoerg átalakulás: D U = 5994 J/mol p = 1,013 "10 5 Pa és t = 0 ° C alatt
P = 1,013 ´10 5 Pa és t = 0 ° C hőmérsékleten a külső környezetnek 5994 J értéket kell adnia ahhoz, hogy 1 mol jeget (azaz 18 g jeget) 1 mol folyékony vízzé alakítson. Ennek a molnak a belső energiája + 5994 joule között változott.
6.3 Egy elszigetelt rendszer teljes energiája állandó.
A rendszer nem cserélhet sem anyagot, sem energiát a külső környezettel. Ennek ellenére már önmagában is van energiája.
Egy izolált rendszer teljes energiája állandó, bár a rendszeren belül az egyik típusból a másikba történő energiaátalakulás történhet.
Példa: Az univerzum egy elszigetelt rendszer. Teljes energiája állandó. Ez az összes energiaforma összege: makroszkopikus mozgási energia, makroszkopikus potenciális energia, elektromos energia (lásd a következő leckéket), mágneses energia, atomenergia, belső energia stb.
Einstein megmutatta, hogy be kell vonni a tömeggel kapcsolatos energiát (lásd az utolsó év tanítását).
6.4 Nem elkülönített rendszer. Energiacsere a környezettel.
Vegyünk egy olyan rendszert, amely nem cserél anyagot a külsővel, de energiát képes cserélni ezzel a külső környezettel. Fentebb láttuk, hogy ez a rendszer állítólag zárva van .
a - Energiacserék.
A rendszer és a külső energiacsere háromféle módon történhet:
A külső környezet erőket gyakorolhat a rendszerre. Ha ezen erők alkalmazási pontjai elmozdulnak, kidolgozhatnak egy W. művet. Ez a munka algebrai. Ha W pozitív, akkor a rendszer teljes energiája növekszik. Ha W negatív, akkor a rendszer energiája csökken.
Csakúgy, mint a vizsgált rendszer, a külső környezet energiájának egy része a termikus keveréssel társul. Ha a hőléggörgés kívülről csökken, akkor a rendszer energiája megnő és fordítva. A hőcseréket a következő órán részletesebben tanulmányozzuk. Q-val jelöljük a hőenergia cseréjét a külső és a rendszer között. Ha Q> 0, akkor a rendszer energiája növekszik.
- Energiacsere sugárzás útján.
Az üvegház a napsugárzással kap energiát. Teljes energiája nő, lényegében belső energiája. A következő leckében ismét beszélünk a sugárzásról. .
b- Zárt rendszer energiaváltozásának kifejezése .
Az ebben a fejezetben bemutatott elemzés következtetése a következő formában fejezhető ki:
Egy adott állapotban lévő bármely rendszerrel társíthatunk a rendszer energiájának nevezett mennyiséget. Ha a rendszer energiája növekszik vagy csökken, az azért van, mert energiát kapott, vagy feladott, akár munkával, akár hőátadással, akár sugárzással.
Ne feledje, hogy a rendszer E energiája állandó mennyiség, amely az állapotához kapcsolódik, míg az erő W munkája, a Q hőenergia átadása vagy a sugárzás az átalakulásokhoz kapcsolódó efemer mennyiségek (amelyek időtartama korlátozott).
Fizikai ismeretek 7
Megoldott 7-A. Feladat: Kinetikus energia - ferde sík (Bac 1997)
# 7-B feladat (megoldandó): Függőlegesen dobott kő mozgása