Урок "Механічна робота та енергія"

  Урок 8/8

Механічна робота і енергія.

 

Мета уроку:	Познайомити учнів  з поняттям роботи й одиницями її виміру. З’ясувати фізичний зміст поняття роботи.
Тип уроку:	урок вивчення нового навчального матеріалу.
Демонстрації:	1. Отримання виграшу в силі за допомогою важеля. Зміна енергії тіла внаслідок виконання роботи. Потенціальна енергія піднятого над землею тіла і деформованої пружини. Кінетична енергія кульки, що скочується по похилій площині з різної висоти. Перетворення енергії під час коливання маятника.
План викладання нового матеріалу:	«Золоте правило механіки». Механічна робота. Потужність. Енергія. Види енергії. Закон збереження енергії.
Перевірка знань:	1. Укажіть, до макросвіту, мікросвіту або мегасвіту належать:     а) вишня;    б) Земля;    в) чоловік;    г) Юпітер;    д) атом;         е) молекула? 2. Як ви вважаєте, коли вчені відкрили перші закони природи: вивчаючи макросвіт, мегасвіт чи мікросвіт? 3. Чи може людина суттєво впливати на мегасвіт (космос)?

 

ВИКЛАДАННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ.

 

1.  «Золоте правило механіки».

 Здавна будь-яке переміщення людиною тіл з витратою мускульних зусиль називалося роботою. Підняття ваги або переміщення по будь-якому шляху, будь-яка деформація тіла, розпилювання, різання – всі ці процеси пов’язані з м’язовим зусиллям уздовж деякого шляху.

Використовуючи дослід з важелем, можна показати, що за допомогою важеля одержуємо значний виграш у силі. (див. рисунок).

Однак виграш у силі завжди супроводжується програшем у переміщенні. Наприклад, якщо вантаж, прикріплений до короткого плеча важеля, піднімають, прикладаючи до довгого плеча важеля силу, що в 10 разів менша за вагу цього вантажу, то довге плече важеля треба опустити на відстань, що в 10 разів більша за висоту, на яку підніметься вантаж.

Цей і подібний досліди показують, що, використовуючи будь-які прості механізми,

 

        ми виграємо в силі саме у стільки разів, у скільки програємо в переміщенні.

 

Ця закономірність, винайдена ще стародавніми греками, виявилася настільки важливою, що згодом її назвали «золотим правилом механіки».

 

2. Механічна робота.

Вчитель пояснює новий матеріал за допомогою таблиці, що зображена на дошці.

 Із золотого правила механіки випливає, що, якщо не враховувати тертя, добуток сили на переміщення однаковий для кожної із сил, прикладених до плечей важеля. Тому ввели фізичну величину, яку назвали механічною роботою.

        Якщо напрямок сили збігається з напрямком переміщення,

 

• механічна робота сили дорівнює добутку цієї сили на переміщення точки прикладання сили.

A = FS,

 

де F – модуль сили, а S – модуль переміщення.

Одиницю роботи в SI назвали джоуль (Дж) на честь англійського фізика Джеймса Прескотта Джоуля.

 

• Один джоуль – це робота, яку виконує сила в 1 Н, переміщаючи тіло на 1 м у напрямку дії сили.

Тому 1 Дж = 1 Н · 1 м.

 

3. Потужність

Вчитель пояснює новий матеріал за допомогою таблиці, що зображена на дошці.

 

Ту саму роботу можна виконати за різні проміжки часу. Наприклад, можна підняти вантаж за хвилину, а можна піднімати цей же вантаж протягом години.

 

• Потужність дорівнює відношенню виконаної роботи до проміжку часу, за який її було виконано.

N= .

Одиницю потужності в SI назвали ват (Вт) на честь англійського винахідника Дж. Уатта (Ватта).

Це потужність, за якої роботу в 1 Дж виконують за 1 с:

 

1 Вт = 1 Дж / 1 с.

 

4.  Енергія

Робота пов’язана з переміщенням, тому її можна виконувати тільки за умови, що тіла рухаються. Якщо роботу виконують під час руху тіл, що взаємодіють, змінюється їхнє взаємне положення.

Крім того, унаслідок виконання роботи може змінюватися швидкість тіл.

Отже, тіло виконує роботу тільки, якщо змінює свій механічний стан: змінюється або взаємне положення тіл, або їхня швидкість або й те, й друге одночасно.

 

Приклади:

1. Коли гиря в годинниках опускається, змінюється положення гирі відносно Землі.
2. Коли пружину деформують, змінюється взаємне положення частинок, що взаємодіють, з яких складається речовина пружини.
3. Під час гальмування автомобіля роботу виконує сила тертя. Швидкість при цьому зменшується.

Про тіла, унаслідок зміни стану яких може бути виконана робота, кажуть, що вони мають енергію.

 

• Фізичну величину, що характеризує здатність тіла виконувати роботу внаслідок зміни свого стану, називають енергією.

 

Мірою зміни енергії є виконана робота; коли тіло виконує роботу, його енергія зменшується на величину, що дорівнює виконаній роботі. Тому енергію вимірюють у тих самих одиницях, що й роботу: одиницею енергії в SI є джоуль.

 

• Якщо система виконує роботу в 1 Дж, енергія системи зменшується на 1 Дж.

 

5.  Види енергії.

Робота може бути виконана внаслідок зміни взаємного положення тіл, що взаємодіють, а також внаслідок зміни швидкостей тіл. У обох випадках змінюється механічна енергія тіла або системи тіл.

 

• Частину механічної енергії, зумовлену взаємодією тіл, називають потенціальною енергією, а частину механічної енергії, зумовлену рухом тіл, - кінетичною енергією.

 

Наприклад, підняте тіло вкупі із Землею, що його притягує, утворюють систему тіл, яка має потенціальну енергію.

Як показують розрахунки, кінетичну енергію Е_кін  тіла масою m , що рухається зі швидкістю υ , визначає формула

Е_кін

 

6.  Закон збереження енергії.

У природі, техніці й побуті можна часто спостерігати перетворення одного виду механічної енергії в інший: потенціальної в кінетичну й кінетичної в потенціальну.

Наприклад, коли вода падає з греблі її потенціальна енергія перетворюється в кінетичну. У маятнику, що коливається, періодично ці види енергії переходять один в один.

Досліди показують, що, якщо можна знехтувати тертям, механічна енергія тіл, що взаємодіють, тобто сума їхньої потенціальної й кінетичної енергії, не змінюється.

Це – прояв закону збереження енергії, відкритого в 19-му столітті.

 

• У всіх процесах, що відбуваються в природі, сумарна енергія тіл. що взаємодіють, не змінюється.

 

Фізичний зміст закону збереження енергії полягає в тому, що енергія є загальною мірою руху й взаємодії тіл і частинок: вона ніколи не зникає й не з’являється, а лише перетворюється з одного виду в інший.

 

ЗАПИТАННЯ ДО УЧНІВ ПІД ЧАС ВИКЛАДАННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Які дві умови необхідні, щоб виконати роботу?
2. Чи змінюється механічний стан тіла внаслідок виконання роботи?
3. Наведіть приклади, коли тіла мають потенціальну енергію.
4. Назвіть випадки, коли тіла мають кінетичну енергію?
5. М’яч кинули вертикально вгору. Які перетворення енергії відбуваються при цьому?

 

У конспект учня

 

• Механічна робота сили дорівнює добутку цієї сили на переміщення точки прикладання сили.

A = FS

• Потужність дорівнює відношенню виконаної роботи до часу за який її було виконано.

N= .

• Фізичну величину, що характеризує здатність тіла виконувати роботу внаслідок зміни свого стану, називають енергією.
• Частину механічної енергії, зумовлену взаємодією тіл, називають потенціальною енергією, а частиною механічної енергії, спричинену рухом тіл, - кінетичною енергією.
• У всіх процесах, що відбуваються в природі, сумарна енергія тіл, що взаємодіють не змінюється.

 

РОЗРАХУНКОВІ ЗАДАЧІ.

1. Під час великого навантаження на організм людини її серце скорочується до 150 разів за хвилину. За кожне скорочення серце виконує механічну роботу, що дорівнює 2 Дж. Визначте потужність, яку розвиває серце.

2. Яку потужність розвиває людина, що піднімає відро води вагою 120 Н із колодязя глибиною 20 м за 15 с?

 

Домашнє завдання

1. Підручник.: § 5.
2. Зб.: р1) № 4.4; 4.6; 4.14; 4.15; 4.16.

р2) № 4.21; 4.24; 4.29; 4.32; 4.33.

 р3) № 4.40; 4.42; 4.44; 4.49; 4.51.

ІІІ.  Виконати  самостійну роботу № 3 « Робота й енергія».

 

 

 

 

ЗАДАЧІ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ  № 3

 

                  Робота й енергія.

 

ПОЧАТКОВИЙ  РІВЕНЬ______________________________________________________

 

    1.  У якому із зазначених випадків виконують механічну роботу? Оберіть правильну відповідь.

       А. Вода тисне на стінку посудини.

       Б. На столі лежить книжка.

       С. Падає крапля дощу.

 

     2.   У якому із зазначених випадків не виконують механічну роботу? Оберіть правильну відповідь.

       А. Яблуко відірвалося від гілки і падає на землю.

       Б. Цеглина лежить на землі.

              В. Хлопчик піднімається вгору сходами.

 

СЕРЕДНІЙ РІВЕНЬ___________________________

 

1.   Яку роботу виконує двигун автомобіля на шляху 80 м, розвиваючи силу тяги 6,5 кН? 

 

2. Яка сила виконала роботу 30 кДж на шляху 7,5 м?

 

ДОСТАТНІЙ РІВЕНЬ______________________________________________________

 

1. а) Тіло кинули вертикально вгору. Чи виконує при цьому роботу сила тяжіння?

 

б) Автокран, піднімаючи вантаж вагою 15 кН, виконав роботу 22,5 кДж. На яку висоту при  цьому піднято вантаж?

 

2. а) Хлопчик пройшов 5 м, а потім піднявся по канату на 5 м за такий самий час. Чи однакову потужність він при цьому розвивав?

 

б) Визначте потужність машини, що піднімає молот вагою 1,5 кН на висоту 80 см за 2с. 

 

ВИСОКИЙ РІВЕНЬ________________________________________________________

 

1. а) Кулька котиться по горизонтальній поверхні. Чи виконує при цьому роботу а) сила тяжіння? б) яка-небудь інша сила?

 

б) Чи має потенціальну енергію дерев’яний брусок, занурений у воду на деяку глибину?

 

2. а) Що відбувається зі швидкістю автомобіля, якщо сила тертя виконує роботу? Чому?

 

б) Автомобіль рухається рівномірно й прямолінійно по горизонтальній дорозі. На що витрачається енергія палива?