Урок фізики для 7 класу "Закон збереження і перетворення механічної енергії"

Тема.  Закон збереження і перетворення механічної енергії

Мета уроку:

Навчальна. Навчити учнів описувати перетворення кінетичної енергії в потенціальну і навпаки, наводити приклади перетворення одного виду механічної енергії в інший, пояснити сутність закону збереження енергії; формувати матеріалістичний світогляд учнів.

Розвивальна. Розвивати творчі здібності та логічне мислення учнів; показати учням практичну значущість набутих знань.

Виховна. Виховувати культуру оформлення задач.

Тип уроку: урок вивчення нового навчального матеріалу

Обладнання: штатив, кулька на нитці, набір дерев’яних брусків, жолоб, маятник Максвелла, картки з різнорівневими завданнями, мультимедійний проектор, комп’ютер.

План уроку

І. Організаційна частина.

ІІ. Актуалізація опорних знань.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності.

IV. Вивчення нового матеріалу.

V. Закріплення вивченого матеріалу.

VІ. Підсумки.

VІІ. Завдання додому.

Хід уроку

І. Розминка

Гра «Поле чудес»

У формули і слова потрібно вставити літери, яких бракує.

•        …=F*… (р…б…т…);
•        …=(…*v²)/2 (…ін…т…ч…а  …н…р…ія);
•        …=…g… (…о…н…і…л…н… …н…р…ія ).

ІІ. Актуалізація опорних знань

На попередніх уроках ми ознайомилися з різновидами механічної енергії, з’ясували, які властивості має енергія.

Фронтальне опитування

1. Які існують різновиди механічної енергії?
2. Яку енергію має тіло, що рухається?
3. Що потрібно зробити, щоб надати пружині енергії?
4. Тіло підняли на деяку висоту на землею. Як змінилася його енергія?
5. Що таке замкнена система тіл у механіці?
6. Назвіть властивості енергії.

ІІІ. Мотивація навчальної діяльності

Енергія – не лише поняття, яке сьогодні найчастіше обговорюється. Крім свого основного фізичного змісту, воно має численні економічні, технічні, політичні й інші аспекти.

Протягом століть рівень використання джерел енергії був низьким – домашні тварини, сила власних м’язів, вітру, води. Час минав. Люди навчилися одержувати тепло, використовувати енергію води (запуск першого млина з колесом , що приводилося в рух водяним потоком).

У 1470 році був спущений на воду перший великий чотирищогловий корабель, близько 1500 р. геніальний Леонардо да Вінчі запропонував дуже дотепну модель ткацького верстата і проект побудови літаючої машини. Для роботи всіх механізмів і машин потрібне було пальне, нові джерела енергії.

IV. Вивчення нового матеріалу

У природі, техніці й побуті можна часто спостерігати перетворення одного виду механічної енергії на інший:  потенціальної в кінетичну і кінетичної в потенціальну. Наприклад при падінні води з греблі її потенціальна енергія перетворюється в кінетичну. У маятнику, який коливається, періодично ці види переходять одна в одну. Піднятий над поверхнею Землі м’яч має певну потенціальну енергію. Але коли він падає, ця енергія зменшується. Проте в процесі падіння швидкість м’яча збільшується, тобто збільшується його кінетична енергія. Внаслідок виконання роботи силою тяжіння кінетична енергія м’яча збільшилася. Проте зменшилася потенціальна енергія. Отже, можна сказати, що кінетична і потенціальна енергія пов’язані одна з одною. Зі збільшенням кінетичної енергія зменшується потенціальна.

Мірою зміни кінетичної і потенціальної енергії є робота. При зміні потенціальної енергії тіла, що рухається вниз, виконується робота силою тяжіння. За рахунок цієї роботи відбувається збільшення кінетичної енергії. Якщо на дане тіло не діють сили тертя, то його повна механічна енергія залишається сталою. Це один із важливих законів природи, який потрібно враховувати при розрахунках параметрів тіла.

Графічна залежність потенціальної і кінетичної енергії.

Якщо потенціальна енергія пропорційна висоті, то графіком буде пряма лінія (мал. 1). Кінетична енергія буде зменшуватися зі збільшенням висоти, тобто буде пропорційна висоті. Ця залежність виражається також прямою лінією (мал. 2).

Накладемо обидва графіки один на одного і визначимо суму енергій для довільної висоти (мал. 3).

Неважко помітити, що сума енергії для довільної висоти тіла над поверхнею Землі буде однаковою. Це свідчить про те, що повна механічна енергія зберігається за умови відсутності сил тертя. У цьому суть закону збереження й перетворення механічної енергії.

Сума кінетичної і потенціальної енергій ізольованого тіла в замкнутій системі, у якій відсутні сили тертя, залишається сталою.

З цього фундаментального закону можна зробити деякі висновки. Зокрема, висновок про те, що механічна енергія не виникає і не зникає безслідно. Вона лише перетворюється з одного виду в інший. Мірою перетворення енергії з одного виду в інший є робота.

Першовідкривачем закону збереження і перетворення енергії для всіх процесів у природі, є англійський природодослідник Роберт Майєр.

Закон збереження механічної енергії

На основі численних досліджень руху і взаємодії тіл, подібних до розглянутих прикладів, було встановлено закон збереження механічної енергії.

Закон збереження механічної енергії:

Енергія нікуди не зникає і нізвідки не виникає, вона лише перетворюється з одного виду на інший, передається від одного тіла до іншого.

Або даний закон можна сформулювати таким чином.

Закон збереження механічної енергії:

У системі тіл, які взаємодіють одне з одним тільки силами пружності та силами тяжіння, повна механічна енергія не змінюється:

— повна механічна енергія системи тіл на початку спостереження;

— повна механічна енергія системи тіл в кінці спостереження.

Вічний двигун (perpetum mobile, з латинського – вічний двигун) – це уявна машина, яка виконувала би роботу без споживання енергії зовні. Можливість створення такого двигуна означала б отримання енергії з нічого.

Древні греки та римляни не переймалися ідеєю створення такого двигуна, їм достатньо було рабів. До нас дійшов вислів древніх філософів: «З нічого не вийде нічого».

Перший проект вічного двигуна приписують індійському математику та астроному Бхаскара (XII ст.). З часом ідея створення диво-машини набула форм епідемії. І лише ледачий не намагався створю­вати вічний двигун.

Відомо, що perpetum mobile пробували створи­ти Леонардо да Вінчі, Галілей, Ньютон (збереглися малюнки та креслення вічних двигунів). Вони сфор­мулювали принцип: «Створити вічний двигун немож­ливо».

Роберт Майєр у 10-річному віці сконструював свій перший та останній perpetum mobile. Він побудував водяний млин з водяним колесом, використавши гвинт Архімеда для перекачування води до лопатей водяного колеса. Можливо, цей досвід став передумо­вою відкриття ним закону збереження енергії.

Чому двигуни не працюють? Якщо це двигун, то в нього мають бути частини, що рухаються. Двигуну не достатньо обертати самого себе. Потрібна ще й надлишкова енергія для подолання сили тертя. Щоб двигун працював, він має сам себе забезпечувати енергією.

Леонардо да Вінчі писав: «Завжди знаходилася якась дрібниця, якою винахідник пояснював свою невдачу». Мовою фізики дрібниці — це різні види неврахованих витрат енергії. 1775 року Паризька ака­демія наук, найавторитетніша у світі, постановила не розглядати проекти вічних двигунів.

V. Закріплення вивченого матеріалу

1. Кулю масою 200 г кинули вертикально вгору зі швидкістю 15 м/с. Визначте кінетичну і потенціальну енергії м’яча на висоті 10 м.

Робота учнів в групах над власними проектами

На попередньому уроці кожна група отримала домашнє завдання – підготувати матеріали до заданих тем. Тому зараз презентуйте будь ласка свої проекти.

Теми проектів:

1. «Вітрова електроенергія»;
2. «Невичерпне джерело енергії – Сонце»;
3. «Могутня сила води».

 «Вітрова електроенергія»

Людина здавна використовує енергію вітру. Достеменно відомо, що вітряки мололи зерно у Персії ще за 200 років до початку нашої ери. Ще раніше вони застосовувались у Китаї.

Сумарна потужність вітрових електростанцій (ВЕС) у всьому світі на початку 90-х рр. досягла 2000 МВт. Великі досягнення у розвитку вітроенергетики має Данія. Крім того, до 85 % вітро­енергетичних установок, які надходять на світовий ринок, — також датського виробництва. Велика концентрація вітроустановок на каліфорнійському узбережжі США. Тут на гірських перевалах уздовж автостради від Сан-Франциско до Лос-Анджелеса встановлено близько 2000 вітроагрегатів. Значних успіхів у розвитку вітроенергетики досягли також Канада, Нідерланди, Франція, Іспанія, Греція, Великобританія, Швеція, Австралія.

Відомо, що першу в світі вітрову електростан­цію з робочим колесом діаметром 30 м і потужніс­тю 100 кВт було споруджено в Криму, неподалік від Севастополя, ще в 1931 р. за проектом видатного українського вченого й інженера, одного з осно­воположників космонавтики Юрія Кондратюка. Та лише в останні роки будівництво ВЕС у нашій країні набуло значного розмаху. Величезну роль у його розгортанні відіграє постанова уряду, що зобов'язує 0,5 % усіх коштів, отриманих від реалі­зації електроенергії, відраховувати у спеціальний фонд розвитку вітроенергетики.

В Україні споруджується кілька великих ВЕС: у Криму (Донузлакська, Чорноморська, Східнокримська) та в Миколаївській області (Аджигольська). Потужність цих станцій станови­тиме від 7,5 до 500 МВт. На них планується встано­вити від 3 до 53 агрегатів. Невеликі ВЕС працюють у Харкові та в інших містах і селах країни. Проте найбільший потенціал зосереджений усе-таки на узбережжі, а також у гірських та степових районах України.

Мета наступних етапів Комплексної програми — довести виробництво вітроенергії до 25—35 % від загального обсягу виробництва електроенергії. Для малих споживачів електроенергії (наприклад, фермерських підприємств) ведуться роботи зі створення та серійного випуску автономного вітроагрегату ВЕГ-10/60 потужністю 10 кВт.

 Можливі галузі застосування енергії вітру

Аналіз літературних джерел, що висвітлюють історичний і політехнічний аспект проблеми до­слідження, дав підстави для визначення основних напрямків можливого застосування енергії вітру, до складу яких входять:

• вітрильний повітряний і водний транспорт;
• барабанні повітряні млини для обмолоту зерна;
• вітряні установки для перекачки води (вітро­ві зрошувальні системи);
• вітрові електричні станції;
• вітрові акумуляційні станції;
• вітряки для обертання рухомих частин різ­них видів верстатів та пристроїв;
• живлення установок для опріснення міне­ральних вод;
• живлення установок для постачання кисню.

Як бачимо, спектр застосування енергії вітру досить широкий. Можливість і доцільність ви­конання зазначених видів робіт вітром доведена історією.

 Доцільність застосувань вітрової енергії

Ефективне використання вітрової енергії пов'язане із можливістю її застосування в наступ­них випадках:

• під час виконання тих видів робіт, де енергія вітру більш доступна, більш доцільна і більш еко­номічна, ніж інші види енергії;
• на тих виробництвах, котрі передбачають можливість перерви у постачанні енергії;
• на тих виробництвах, до передбачена мож­ливість акумуляції енергії.
• Переваги енергії вітру:
• невичерпність ресурсів;
• доступність для використання;
• наявність у будь-якій місцевості;
• відсутність  необхідності   транспортувати енергію.

Недоліки енергії вітру:

• зміна показників вітряного потоку з часом;
• коливання потужності, що розвиває вітроустановка;
• труднощі, пов'язані зі стабілізацією вітряно­го потоку й акумуляцією вітряної енергії;
• екологічний вплив на навколишнє середови­ще (шум вібрацій).

Найсприятливіші місця для будівництва ві­трових установок

За розрахунками вчених, нормальну роботу ві­трових двигунів можна забезпечити за умови, що швидкість вітру в середньому за рік була більшою, ніж (4—5) м/с. Вчені зазначають: оптимальною е швидкість (6—8) м/с. В Україні такими зонами е узбережжя Чорного й Азовського морів (Крим), а також Карпати і південні степові регіони.

Для нашого дослідження інтерес становив останній регіон.

Аналіз літератури з цього приводу дозволив встановити, що:

1.          середня швидкість вітру за рік на території Херсонських степів дорівнює 5 м/с;
2.          весь південний кордон області омивається Каркінітською і Сивашською затоками, утворю­ючи коси. (Арабатська стрілка, Бирючий острів, Тендрівська коса);
3.          до узбережжя водних регіонів області на­лежить Дніпровський лиман, Бузький лиман, Каховське водосховище й Азовське море.

Важливою є наявність водних кордонів. Здатність води акумулювати сонячну енергію забезпечує рух повітря протягом доби. Причому в напрямку цих рухів можна визначити певну періодичність. За умов відсутності циклонічних впливів на рух повітряних мас можна певним чи­ном прогнозувати вітрову ситуацію. А це означає, що Херсонська область має певні переваги перед іншими областями України у використанні такого джерела енергії, як вітер.

«Невичерпне джерело енергії – Сонце»

Величезним і практично невичерпним джере­лом енергопостачання, яке, до того ж, не забруд­нює навколишнє середовище, є енергія Сонця.

Надходження сонячної енергії на поверхню Землі на чотири порядки перевищує сучасний рівень сві­тового енергоспоживання. Проте для технічного використання придатна лише невелика її частина. Так, академік М. Старикович технічний потенціал сонячної енергії оцінює лише в 5 млрд т умовного палива. А це вдвічі менше від уже освоєних люд­ством енергоресурсів. Основні незручності для практичного використання сонячної енергії по­лягають у низькій щільності і дискретності її над­ходження на поверхню Землі. Однак у помірних і особливо в тропічних широтах, де інтенсивність сонячної радіації найбільша, сонячна енергетика має великі перспективи для розвитку.

У світі накопичений значний досвід використан­ня сонячної енергії для одержання електроенергії, побутової та високотемпературної промислової теплоти. Міжнародне визнання здобули праці вчених та інженерів США, Франції, Італії, Іспанії, Японії, колишнього СРСР. Сонячна електростанція баштового типу донедавна діяла в Криму поблизу Керчі. Протягом 1985—1994 рр. вона виробила близько 2 млн кВт/год електроенергії. Попри всю цінність 9-річного досвіду експлуатації цієї експе­риментальної геліостанції, не можна не помітити вкрай незадовільні економічні показники її робо­ти. За деякими даними, собівартість її електро­енергії у сотні разів перевищувала відпускну ціну на електроенергію для населення. Якщо взяти до уваги, що з господарського обігу весь цей час були вилучені досить великі земельні площі (загальна площа лише дзеркал-геліостатів становила 4 га), то проблеми розвитку сонячної енергетики в Україні виявляться складнішими, ніж вважали досі.

Одним із найперспективніших способів одер­жання електроенергії є безпосереднє перетворення сонячного випромінювання на електричну енергію за допомогою термо- і фотогенераторів. Проте сфе­ра застосування таких установок дуже обмежуєть­ся низькою ефективністю та високою вартістю пе­ретворювачів. Як відомо, ККД більшості сучасних напівпровідникових фотоелектричних генераторів (сонячних батарей) 18—23%. Тому над проблемою підвищення ефективності їх роботи працюють цілі наукові колективи. Останнім часом удалося істот­но знизити вартість фотоелектричних генераторів. Так, і у США тільки за 10 років вони подешевшали у 50 разів.

Фотоелектричні генератори широко використо­вуються для живлення різних автономних спожи­вачів невеликої потужності — мікрокалькуляторів, електронних іграшок, навігаційного обладнання, радіостанцій, радіомаяків, ретрансляторів, космічних апаратів тощо. Фотоелектричними установками сьогодні обладнуються цілі будинки, теплиці й тваринницькі ферми. Ще поширенішим є використання сонячної енергії для організації теплопостачання, кондиціонування повітря, опріснення морської води, сушіння фруктів.

Порівняно з великими електростанціями, фото­електричні генератори в розвитку сонячної енергетики в Україні, очевидно, найперспективніші. Вони не тільки не потребують для своєї реалізації великих земельних площ, а й дають змогу раціо­нально і без будь-якої шкоди для навколишнього середовища використовувати непридатні для інших цілей площі міської забудови, насамперед, дахи житлових будинків.

«Могутня сила води»

Кожен гірський потік, кожна річка є джерелами механічної енергії, яку можна використати. Так, кінетичну і потенціальну енергію має вода водоспаду. Але у природі порівняно рідко зустрічаються великі водоспади. Частіше всього річки мають невеликий ухил. У цих випадках, для створення напору (збільшення потенціальної енергії води) будують греблі. За допомогою греблі створюють, як кажуть, перепад води між верхньою і нижньою течіями. У склад гідравлічного комплексу входять шлюзи та гідроелектрична станція (ГЕС), на якій енергія рухомої води перетворюється за допомогою електрогенераторів у електричну енергію.

В Україні, яка порівняно багата на річки, побудовано гідроелектростанції на малих і великих річках, зокрема на Дніпрі. Дніпровський каскад ГЕС є найважливішим гідроенергетичним комплексом в Україні, до якого належать Дніпровська ГЕС (Дніпрогес) у м. Запоріжжі, потужністю 600 000 кВт, Каховська, Дніпродзержинська, Кременчуцька, Канівська, Київська ГЕС та Київська ГАЕС (гідроакумулююча електрична станція).

Хоч електростанції дають порівняно дешеву електричну енергію і її виробництво екологічно чисте, однак для спорудження великих ГЕС потрібно затоплювати велику площу цінних сільськогосподарських угідь, а утворені при цьому штучні водоймища іноді негативно впливають на екологію оточуючого середовища. Тому будівництво кожної ГЕС потребує попереднього ретельного економічного і екологічного обґрунтування.

На ГЕС встановлюють водяні турбіни у яких вода віддає свою енергію шляхом напрямку і швидкості на лопатях турбін.

VІ. Підсумки

Розповідь про енергію може бути нескінченною, так само різноманітними є альтернативні форми її видобування за умови, що ми повинні розробити для цього ефективні й економічні методи. Не так важливо, яка наша думка щодо джерела енергії, її якості та собівартості. Нам, очевидно, варто лише погодитися з тим, що сказав мудрець, ім’я якого залишилося невідомим: «Немає простих рішень, є тільки розумний вибір».

VІІ. Завдання додому

Вивчити § 33, Вправа № 33 (1, 3)