Петродолинська ЗОШ І – ІІІ ступенів

 

 

 

 

 

 

План-конспект

уроку з фізики на тему:

«Механічна робота. Кінетична енергія. Потужність.»

 

 

 

Підготувала

Вчитель фізики вищої категорії Богатчук Л.В.

 

 

 

 

Одеса

2020 р.

 

 

 

 

Тема. Механічна робота. Кінетична енергія. Потужність.

Мета. Формувати в учнів поняття енергії як кількісної міри руху, механічної роботи  та потужності як фізичних величин; пояснити зв'язок роботи й енергії на прикладі кінетичної енергії тіла; розвивати науковий світогляд, логічне мислення, увагу; виховувати інтерес до предмета.

Тип уроку. Урок вивчення нового матеріалу.

Хід уроку І. Організаційний момент.

ІІ. Мотивація навчальної діяльності.

Демонстрація досліду № 1.

Обладнання: сталева кулька, посудина з піском.

Випущена з рук кулька падає в пісок. Розглядаємо рух кульки з різної висоти.

Що ви помітили під час досліду?

        Чи діє на кульку сила? Яка? Ця сила виконує роботу?

 

У повсякденному житті слово «робота» вживається дуже часто. Роботою називають будь-яку корисну працю робітника, вченого, учня. Як бачимо слово робота має велике значення: для позначення професії, для характеристики стану ( холодильник працює).. 

Навколо 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.

Поняття роботи у фізиці має певний сенс. І на сьогоднішньому уроці ми з вами про це поговоримо.

 

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

План

1.     Що таке механічна робота?

2.     Консервативні і неконсервативні сили. А) Робота сили тяжіння.

Б) Робота сили пружності.

В) Робота сили тертя ковзання.

3.     Кінетична енергія.

4.     Потужність?

Що таке механічна робота.

Ми дуже часто використовуємо поняття «робота» в повсякденному житті. Роботою називають і підйом цебра з колодязя, і доставку продуктів з магазина, і розв’язування складної задачі. Згадаємо, що загальноприйняте поняття «робота» відрізняється від поняття «механічна робота». Наприклад, у процесі підняття вантажу на висоту h поняття механічної та «біологічної» роботи збігаються.

Якщо ми просто тримаємо в руках певний вантаж і не пересуваємося, то ми виконуємо певну біологічну роботу при скороченні м’язів. З механічної точки зору, ніякої роботи тут не відбувається, тому що відсутнє переміщення.

Про механічну роботу говорять тоді, коли тіло змінює своє положення в просторі під дією сили.

З визначенням механічної роботи ми вже знайомі з курсу фізики 8 класу:

якщо на тіло діє постійна сила F , спрямована вздовж переміщення s тіла, то

робота цієї сили A  F s.

Якщо сила спрямована під кутом а до переміщення тіла, то робота

A  F scos.

Механічна робота — це фізична величина, яка характеризує зміну стану тіла під дією сили і дорівнює добутку сили на шлях, пройдений тілом у напрямку цієї сили:

де      A — механічна робота,

F — значення сили, що діє на тіло;

s — шлях, який пройшло тіло в напрямку

цієї сили.

Одиниця роботи в СІ — джоуль (Дж);

названа так на честь англійського вченого Джеймса  Джоуля (рис. 1):

[A] =Н·м = Дж.

 1 Дж дорівнює механічній роботі, яку виконує сила 1 Н, переміщуючи тіло на 1 м в напрямку дії цієї сили:

1Дж=1Н·1м.

 Сила має напрямок. Це векторна величина. А от робота сили напрямку немає, тобто робота

є величиною скалярною.

  

Але робота може бути додатною, від’ємною або дорівнювати нулю — залежно від того, куди напрямлена сила відносно напрямку руху тіла:

1)                Робота є додатною, якщо A > 0    ( Напрямок сили збігається з напрямком  руху тіла)

A   = Fs

2)                Робота є від’ємною A < 0 ( Напрямок сили протилежний напрямку руху тіла)

A   = −Fs

3)                Робота дорівнює нулю  A = 0  (Напрямок сили перпендикулярний  до напрямку руху тіла)

 

 -  якщо напрям сили співпадає з напрямом переміщення  - якщо сила напрямлена під кутом до переміщення.

Геометричний зміст механічної роботи:

Якщо напрямок сили, яка діє на тіло, збігається з напрямком руху тіла, то робота цієї сили чисельно дорівнює площі фігури під графіком залежності сили від шляху, який долає тіло.

 

Рис. 2  Графік залежності незмінної сили F від шляху l  являє собою пряму, паралельну осі шляху

 Консервативні сили

Сила, що діє на тіло, яке рухається поступально, називається консервативною (потенціальною), якщо робота, що виконується даною силою при переміщенні тіла, не залежить від того, по якій траєкторії відбулось це переміщення.

   При переміщенні тіла вздовж замкненої траєкторії робота консервативних сил рівна нулю (прикладом консервативних сил є сили гравітаційного притягання).

Неконсервативними силами є сили, які призводять до втрати механічної енергії, перетворюючи її в теплову. До таких сил належить сила тертя.

Робота сили тяжіння

Обчислимо роботу внутрішніх сил системи, що складається із Землі й піднятого над поверхнею Землі тіла.

Якщо тіло падає з певної висоти, напрям сили тяжіння збігається з напрямом переміщення. При цьому під час руху тіла вниз робота сили тяжіння позитивна. Якщо тіло масою m падає з висоти h, то робота сили тяжіння дорівнює: A = mgh

Під час руху тіла вгору сила тяжіння вже спрямована протилежно переміщенню, тому в цьому випадку робота сили тяжіння негативна. Отже, у разі підйому тіла масою m на висоту h робота сили тяжіння дорівнює:  A = -mgh

 

Робота сили пружності

У разі зменшення деформації пружини сила пружності, що діє з боку пружини, спрямована так само, як переміщення, тому робота сили пружності позитивна.

Із закону Гука випливає, що в разі зменшення деформації пружини до нуля, модуль сили пружності зменшується від kx до нуля, тому середнє

kx

значення сили пружності дорівнює: F_пр.сер.    .

                                                                                                                       2                                                ₂

kx

A  Fпр.сер.  x 

2

При цьому робота сили пружності визначається, як                                    .

 

У разі збільшення деформації пружини сила пружності, що діє на тіло з боку пружини, спрямована протилежно деформації. У цьому випадку робота сили пружності негативна. Робота сили тертя ковзання

Сила тертя ковзання завжди спрямована протилежно напряму швидкості, а отже, і переміщенню тіла, тому робота сили тертя ковзання завжди негативна.

 

Робота в групах

Заповни таблицю

Таблиця 1

	1 ряд			2 ряд			3 ряд
А, Дж				100			25
F,Н	2						5
S,м	0,5			20

 

Задача 1. Визначте роботу, яка виконується під час піднімання гранітної плити об’ємом 0,5 м3 на висоту 20 м. Густина граніту 2500 кг/м3.

 

 

Вправа «Дзвінок»

Був телефонний дзвінок з номеру 4631582730, який допоможе з’ясувати назву фізичної величини, що характеризує швидкість виконання роботи. Користуючись виведеними позначеннями, відгадайте зашифроване слово.

т – 3, ж – 5, і – 2, о – 6, у – 1, п – 4, н – 8, ь – 0, с – 7.

 

Потужність

Щоб виконати ту саму роботу за допомогою різних двигунів, потрібний неоднаковий час. Наприклад, підйомний кран на будівництві за кілька хвилин піднімає на верхній поверх будинку кілька сотень цеглин. Коли б цю цеглу переносив робітник, то він для цього витратив би кілька годин. Інший приклад. Гектар землі можна виорати за 10-12 годин, трактором з багатолемішним плугом ця робота виконується за 40-50 хвилин.

Зрозуміло, що підйомний кран виконує ту саму роботу швидше ніж робітник, а трактор– швидше ніж кінь. Швидкість виконання роботи в техніці характеризується особливою величиною, яку називають потужністю.

  

Потужність – це фізична величина, що дорівнює відношенню роботи до часу, за який її було виконано.

Щоб обчислити потужність, треба роботу поділити на час, за який цю роботу виконано: де N – потужність, А – робота, t – час виконання роботи.

Одиниця потужності дістала свою назву на честь британського інженера та винахідника-механіка Дж. Ватта (рис.3)

(позначається Вт).

 

Рис. 3 Джеймс Ватт (1736–1819), британський винахідник-механік, творець універсальної парової машини

 

 

Отже,                                           1Вт=1 Дж/с

У техніці широко використовують більші одиниці потужності – кіловат (кВт), мегават (МВт).

                                                                     1 кВт = 1000 Вт =  Вт

                                                              1 МВт = 1000000 Вт =         Вт.

Інтервал значень потужності різних штучних і природних об’єктів дуже різний. Так, потужність серця людини в спокійному стані дорівнює приблизно 1 Вт. Коли людина збуджена, її потужність  зростає в 2-6 разів. Людський організм в цілому може працювати тривалий час з середньою потужністю 75 Вт. Різні двигуни мають потужність від сотих часток кіловат ( двигун електробритви, швейної машини) до сотень тисяч кіловат ( водяні, парові та газові турбіни). Двигун автомобіля «Таврія» має потужність приблизно 40 Вт, ракетоносій космічного  корабля «Енергія» 125000 МВт.

 Задача 2. Кран піднімає вантаж масою 10 т на висоту 30 м? Яка потужність крана, якщо цю роботу кран виконує за 2 хв?

 

Розв’яжи сам

1. Кран підіймає вантаж масою 4,6 т на висоту 8 м. Двигун має потужність 8

кВт. Скільки		часу зат		рачено на піднімання вантажу?
Відповідь:			с

Для того, щоб дізнатись слідуюче поняття розгадайте ребус

 

Вправа «Ребус»(3 бала)

 

Механічна енергія та її види

Енергія — це фізична величина, яка характеризує здатність тіла (системи тіл) виконувати роботу.

Енергію позначають символом W (або E).

Одиниця енергії в СІ, як і роботи, — джоуль:

[W] = Дж.

Згадаємо бурульку, що звисає з даху, шайбу, яка ковзає по льоду, натягнуту тятиву лука.

Усе це приклади тіл, які здатні виконати роботу, тобто тіл, які мають певну механічну енергію. Чим більшу роботу може виконати тіло, тим більшою енергією це тіло володіє.

Механічна робота є мірою зміни енергії тіла.Так, коли вантажник на будівництві піднімає цеглини, енергія цеглин збільшується на значення виконаної вантажником роботи (рис.4).

2Рис 4. Вантажник на будівництві

Кінетична енергія

Згадаємо приклад із кулею в боулінгу: вона котиться, розкидає в різні боки кеглі й зменшує швидкість свого руху. При цьому куля виконує механічну роботу, тому механічна енергія кулі зменшується. Однак потенціальна енергія кулі до і після зіткнення з кеглями залишається незмінною,адже весь час куля перебувала на тій самій висоті — змінювалася тільки швидкість її руху. Отже, енергія, яка дозволила кулі виконати роботу, була зумовлена рухом кулі. У фізиці цю енергію називають кінетичною (у перекладі з грецької це слово означає «рухатися»).

 Величину, що дорівнює половині добутку маси тіла на квадрат його швидкості, називають кінетичною енергією тіла:  Е .

Будь-яке тіло, що рухається, має кінетичну енергію, пропорційну його масі та квадрату швидкості.

Енергія, яку має тіло внаслідок свого руху, називається кінетичною енергією.

Необхідно звернути увагу на те, що значення кінетичної енергії залежить від вибору системи відліку, адже кінетична енергія тіла залежить від його швидкості, а швидкість тіла в різних системах відліку різна. Якщо система відліку однозначно не зазначається, зазвичай мають на увазі систему відліку, пов’язану із Землею.

            З    урахуванням    визначення    кінетичної    енергії    можна     записати:

AE_k E_k0 E_k.

Отже, робота сили дорівнює зміні кінетичної енергії тіла.

Це твердження називають теоремою про кінетичну енергію. Якщо в початковий момент часу тіло нерухоме, то A = Е_k.

У цьому полягає фізичнийзміст кінетичної енергії: кінетична енергія тіла масою m, що рухається зі швидкістю υ, дорівнює роботі, яку виконує сила, аби передати тілу, що перебуває в стані спокою, цю швидкість.

Кінетична енергія збільшується, якщо робота сили позитивна, і зменшується внаслідок негативної роботи.

 

Закріплення вивченого матеріалу

Вправа Асоціативний кущ. 

На дошці ви бачите кущі з ключовими словами «робота» і «потужність» а також множину слів і формул, які треба розмістити на кущ, в залежності з яким ключовим словом вони асоціюються.

Рефлексія. 

Заздалегідь підготовлені картки червоного, зеленого і жовтого кольору. Учні, якщо вам зрозумілий вивчений матеріал повністю, то підніміть зелену картку, а якщо частково, то – жовту, а якщо ні – червону. І поясніть, що саме.

Домашнє завлання

Опрацювати параграф 15