Енергія. Потенціальна і кінетична енергія

Урок фізики

10 клас

Тема уроку. Механічна енергія. Кінетична і потенціальна енергія.

Тип уроку. Засвоєння нових знань.

Мета уроку. Увести поняття «енергія, механічна енергія, кінетична енергія, потенціальна енергія»; з’ясувати, від чого залежить значення кінетичної і потенціальної енергії.

Розвивати логічне мислення,творчі здібності, пам'ять, спостережливість, вміння порівнювати, аналізувати навчальний матеріал.

Виховувати прагнення до самовдосконалення, впевненість у собі, необхідність в знаннях.

Основні поняття: енергія, механічна енергія, потенціальна енергія тіла, піднятого над Землею, пружно деформованого тіла, кінетична енергія, закон збереження повної механічної енергії.

Обладнання: кулька, підвішена на нитці, ящик з піском, ножиці, брусок, гумовий шнур, пружина, цеглина.

Демонстрації: нитяний маятник, пружинний маятник

Тип уроку: комбінований урок.

Між предметні зв’язки: українська мова, математика, природознавство,  біологія, хімія

Унаочнення:  програмні засоби Microsoft Office, відеоматеріали.

Технологічна картка уроку

Структура уроку

Без ідеї не може бути нічого великого!

Без великого не може бути нічого прекрасного!

 Р. Флобер

Розминка

1. Повторення основних фізичних величин, їх одиниць та умовного позначення.

(маса, сила, густина, прискорення земного тяжіння, висота та довжина, швидкість, жорсткість пружини, видовження пружини, механічна робота, об’єм, час, прискорення)

Мотивація (5хв.) Часто під час характеристики людини ми ви­користовуємо слово „енергійна”. Що це означає?   Поняття енергії використовують і в фізиці. Що ж це за характеристика? Що вона показує? Коли тіло має енергію? На ці та інші запитання ми сьогодні з вами спробуємо дати відповідь.
 

Актуалізація опорних знань

1. Серед повторених величин сформувати формули необхідні для вивчення теми та пояснити їх зміст.

Під час пояснення матеріалу учням пропону­ється записувати запитання, що виникають. За найцікавіші виставляють оцінки.

Проблемна ситуація, яка спонукає до аналізу фактів та явищ дійсності, їх узагальнення: що є загальною мірою руху та взаємодії різних видів матерії?

Вихід на тему уроку та план роботи.

Щоб зрозуміти поняття «енергія»  нам необхідні знання. Отже, перевіримо, наскільки ви готові до сьогоднішнього уроку.

Вправа «Фізичний диктант»

1. Що таке механічна робота?
2. Від чого залежить значення роботи?
3. Як розрахувати роботу?
4. Які є одиниці роботи?
5. Чи завжди швидкість виконання роботи однакова?
6. Яку фізичну величину називають потужністю?
7. Як розрахувати потужність?
8. Яка основна одиниця потужності?
9. Які похідні одиниці потужності?
10. Чому потужність пов'язана зі швидкістю руху?
11. Наведіть приклади різної швидкості виконання роботи.
12. Як розрахувати роботу, знаючи потужність?

Первинне сприйняття та усвідомлення навчального матеріалу (20хв.)           Лекція (тип лекції – проблемний). Слово «енергія» можна почути в телевізійних репортажах, побачити на шпальтах газет. Ним можна користуватися для характеристики людей (енергійний), природних явищ, машин, механізмів, побутових приладів. У повсякденному житті можна знайти багато різних тіл, при переміщенні яких може виконуватися робота. Так, випущена з рук кулька почне падати під дією сили тяжіння, яка виконуватиме роботу з переміщення кульки. Стиснута пружина може підняти на певну висоту тягарець. Тут сила пружності виконає роботу з переміщення тягарця.

Енергія — це фізична величина, що характе­ризує здатність тіла або системи тіл виконувати роботу.

Енергія позначається символом W або Е. Одиницею енергії в СІ, як і роботи, є джоуль (Дж). Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшу енергію воно має. Отже, мірою зміни енергії є робота.

2. Види енергії

Встановлено, що енергія може існувати в різних формах. Пригадайте, які види енергії ви знаєте? (Учні пригадують (механічна, атомна, внутрішня, електрична, хімічна, вітрова, сонячна тощо.)

Сьогодні ми зупинимося на механічній енергії, яка залежить від швидкостей тіл та взаємного розміщення тіл або частин тіла, що взаємодіють. Розрізняють два види механічної енергії: кінетич­ну та потенціальну.

3. Потенціальна енергія тіла, піднятого над поверхнею Землі

Якщо підняти,наприклад, брусокнадповерхнею Землі (продемонструвати), то він, падаючи, здатний виконати роботу, а отже, має енергію, що зумовле­на взаємодією цього бруска й Землею. Таку енергію називають потенціальною (від лат. potentia – сила, можливість).

Потенціальна енергія – це енергія, зумовле­на взаємодією тіл або частин одного тіла.

Щоб цю енергію накопичити, достатньо під­няти тіло над Землею. З’ясуємо зв’язок між потен­ціальною енергією тіла, піднятого над поверхнею Землі, та механічною роботою. Щоб рівномірно підняти тіло масою т на висоту h над поверхнею Землі, потрібно виконати роботу                   А= Fs = mgh.

Механічна робота дорівнює зміні енергії, тому, обравши за нульовий рівень поверхню Землі, мож­на вважати, що потенціальна енергія на поверхні Землі дорівнює нулю, тоді                         W_n = mgh.

Значення потенціальної енергії залежить від вибору нульового рівня. Піднімемо підручник над столом (продемонструвати). Відносно поверхні столу значення енергії буде одне, відносно підлоги значення її збільшиться, а відносно поверхні Землі стане ще більшим. Отож, значення потенціальної енергії є відносним.

4. Потенціальна енергія пружно деформова­ного тіла

Є ще одна можливість накопичити потенціаль­ну енергію – тіло можна розтягнути або стиснути (деформувати). (Продемонструвати деформацію гумового шнура або звичайної пружини.) Робота виконуватиметься кожного разу, коли деформація зникатиме, а тіло набуватиме первинної форми і розмірів. Отже, пружно, деформоване тіло має по­тенціальну енергію. Наприклад, таку енергію має натягнута тятива лука, деформована пружина в механічних годинниках тощо.

Потенціальну енергію пружно деформованого тіла обчислюють за формулою

,   де k – жорсткість тіла, х – видовження (деформація) тіла.

Проблемне запитання:  Як пов’язати роботу і енергію?

Дослід 1. Демонструємо дослід із кулькою, підвішеною на нитці над ящиком з піском. Ножицями перерізаємо нитку. Кулька падає.

 Проблемне запитання.1) Яка сила утримує кульку, що висить на нитці?
2)Яка сила діяла на кульку після того, як пере­різали нитку?
3)Чим відрізняється кулька, що лежить у ящику, від кульки, що висіла на нитці?  (Взаємним розміщенням кульки та стола, а також тим, що кулька, яка висіла на нитці, здатна виконати ро­боту, а та, що в піску, – ні.)

Висновок: про тіла, які можуть виконати роботу, кажуть, що вони мають енергію. Енергія — це фізична величина, що показує, яка робота може бути виконана при переміщенні тіла. Можна навести ще багато різних прикладів із природи, з повсякденного життя, з техніки, в яких ідеться про тіла, які знаходяться в такому стані, що за певних умов може виконатися робота при їх переміщенні. Про такі тіла кажуть, що вони мають енергію. За різних умов результат виконання роботи може бути різним. Тому й енергія може мати різні значення та бути розрахована. Одиниці енергії
Оскільки йдеться про можливість виконання роботи, то енергію доцільно вимірювати тими самими одиницями, що й роботу. Тому одиницею енергії є 1 Дж. У фізиці розрізняють два види механічної енергії: потенціальну і кінетичну
Проблемне запитання.  Як розраховують потенціальну енергію ?
Якщо підняти, наприклад, брусок над поверхнею Землі (продемонструвати), то він, падаючи, здатний виконати роботу, а отже, має енергію, що зумовле­на взаємодією цього бруска й Землею. Таку енер­гію називають потенціальною (від лат. potentia – сила, можливість).
Потенціальна енергія – це енергія, зумовле­на взаємодією тіл або частин одного тіла.

Є ще одна можливість накопичити потенціаль­ну енергію – тіло можна розтягнути або стиснути (деформувати). (Продемонструвати деформацію гумового шнура або звичайної пружини.) Робота виконуватиметься кожного разу, коли деформація зникатиме, а тіло набуватиме первинної форми і розмірів. Отже, пружно деформоване тіло має по­тенціальну енергію. Наприклад, таку енергію має натягнута тятива лука, деформована пружина в механічних годинниках тощо.

Проблемне запитання.  Як розраховують кінетичну енергію?

Найвітряніші місця земної кулі знаходяться в Антарктиді, особливо на її околицях. У нас в Україні найвітряніше місце – це гора Ай-Петрі в Кримських горах. Тут швидкість вітру сягає 15 м/с. Кожен із нас знає, яку руйнівну силу має вітер, отже, здатний при цьому виконати роботу.  Проблемне запитання.  А за рахунок якої енергії він ви­конує роботу?

 Проблемне запитання.  Як розраховують кінетичну енергію?

 Кінетичну енергію різних тіл використовують для виконання механічної роботи. Так, досвідчені водії автомобілів час від часу від'єднують двигун від коліс, вимикаючи зчеплення, і цим економлять паливо. Робота з подолання сил тертя виконується за рахунок кінетичної енергії автомобіля, який рухається з деякою швидкістю. Конструктори працюють над розробкою моделі міського автобуса, який рушає з місця за рахунок енергії розкрученого під час зупинки важкого маховика. Це дає можливість суттєво зменшити викиди шкідливих речовин в атмосферу та економити паливо.                                                                                                                                            

Повернення до проблемної ситуації: що є загальною мірою руху та взаємодії різних видів матерії?

Практична частина уроку (10хв.) ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Тренуємося розв’язувати задачі

1. Яка робота має бути виконана для зупинки потяга масою 1000 т, що рухається зі швидкістю 108 км/год.?

2. На яку висоту потрібно підняти вантаж масою 5 кг, щоб його потенціальна енергія збільшилася на 40 Дж? На скільки потрібно опустити вантаж, щоб його потенціальна енергія зменшилася на 100 Дж?

3. Пружина, розтягнута на 2 см, коли її відпустили, скоротилася на 1 см. Обчисліть роботу сили пружності, якщо жорсткість пружини дорівнює 40 Н/м.

4. Довжина пружини збільшилася втричі. У скільки разів збільшилася потенціальна енергія пружини?

2). Контрольні запитання

1. Як змінюється кінетична енергія тіла, якщо сила, прикладена до тіла, виконує позитивну роботу?

2. Тіло кинули вертикально вгору. Яку роботу — позитивну чи негативну — виконує сила тяжіння під час підйому тіла? під час спуску? Як змінюється кінетична енергія тіла під час підйому й під час спуску?

3. Наведіть приклади використання потенційної енергії тіл, піднятих над поверхнею Землі.

4. Для розрахунку кінетичної енергії існує єдина формула. Чому немає єдиної формули для розрахунку потенційної енергії?

5. Опишіть перетворення енергії, що відбуваються під час спортивної стрільби з лука.

Вправа «Перевір себе».

1. Які тіла мають потенціальну енергію?
2. Як обчислити потенціальну енергію тіла, піднятого над поверхнею Землі?
3. Коли потенціальна енергія одного й того самого тіла може мати різне значення?
4. Чи змінюється потенціальна енергія при падінні тіла?
5. Чому рухоме тіло може виконати роботу?
6. Яку енергію називають кінетичною?
7. Як залежить кінетична енергія від швидкості тіла?
8. Як залежить кінетична енергія від маси тіла?

Релаксація (1хв.) «Шлях до успіху»                                                                     Рефлексія (3хв.) Вправа «Результат»                                                                          

• Що нового ви сьогодні дізнались?
• Які відкриття ви зробили?
• Чому ви сьогодні навчились?
• Що залишилось незрозумілим?
• Чи досягли ми поставленої мети?                                                         

Домашнє завдання (2хв.) §15, 16 вивчити; вправа №16 (2,4), вправа №15 (1,2) письмово.