Урок "Закони збереження та перетворення енергії"

Урок 4. Закон збереження механічної енергії

Мета уроку: ознайомити учнів із законом збереження енергії; дати перше уявлення про зв’язок енергії з масою тіл; розвивати уявлення про енергетичний підхід  до явищ природи й розуміння їхньої суті; виховувати науковий підхід до явищ; вивчити закон збереження механічної енергії; розглянути приклади перетворення одного виду механічної енергії в іншій; ознайомити з поняттям перетворення кінетичної енергії в потенціальну і навпаки; розвивати здатність спостерігати перетворення енергії в механічних процесах; навчити розв’язувати задачі на використання закону збереження механічної енергії.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

Демонстрації: перетворення потенціальної енергії на кінетичну і навпаки під час вільних коливань математичного маятника, піднятого на деяку висоту баскетбольного м’яча.

План уроку:

І. Перевірка домашнього завдання

ІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Коли зберігається механічна енергія?

У всіх видів енергії є загальна властивість: енергія нізвідки не виникає й нікуди не зникає, вона лише переходить із одного виду в інший або від одного тіла до іншого. Це твердження називається законом збереження енергії.

     Відхилимо кульку від положення рівноваги. У цій момент кулька пере-

буває на найбільшій висоті , отже, має найбільшу потенціальну енер-

гію. Кулька не рухається, тому її кінетична енергія дорівнює нулю. Коли кулька починає рух, швидкість її руху поступово збільшується, відповідно зростає й кінетична енергія кульки.У момент, коли кулька опускається до точки свого найнижчого положення, її потенціальна енергія зменшується до нуля.У цей момент швидкість руху кульки є найбільшою, відповідно найбільшоює її кінетична енергія .За рахунок запасу кінетичної енергії кулька продовжує рух вліво,  піднімаючись усе вище, внаслідок чого зростає її потенціальна енергія. Натомість швидкість руху кульки зменшується, відповідно зменшується її кінетична енергія. Нарешті кулька знову зупиниться на максимальній висоті - її кінетична енергія перетвориться на нуль, а потенціальна енергія сягне найбільшого значення. Таким чином, під час коливань маятника один вид механічної енергії переходить в інший: потенціальна енергія перетворюється на кінетичну, і навпаки.

     Піднятий над Землею м’яч має певну потенціальну енергію. При його падінні ця енергія поступово зменшується. Однак збільшується його швидкість, що свідчить про збільшення кінетичної енергії. Максимальну кінетичну енергію м’яч має біля самої землі.

Отут його швидкість найбільша, а потенціальна енергія найменша, оскільки висота м’яча наближується до нуля.

Потенціальна енергія піднятого над поверхнею землі м’яча перетворилася на кінетичну енергію м’яча, що рухається.

Якщо знехтувати опором повітря, то сума кінетичної й потенціальної енергій падаючого тіла залишається незмінною, тобто механічна енергія тіла зберігається.

Таким чином, багато явищ природи супроводжуються перетворенням одного виду енергії в інший.

2. Закон збереження механічної енергії

Доведемо, що якщо опором повітря можна знехтувати, сума кінетичної й потенціальної енергій падаючого тіла залишається незмінною, тобто механічна енергія тіла зберігається.

Нехай вантаж масою m падає без початкової швидкості з висоти H.

У початковому стані потенціальна енергія вантажу , а його кінетична енергія . Таким чином, початкова механічна енергія вантажу .

На деякій висоті потенціальна енергія вантажу .

Щоб знайти кінетичну енергію вантажу на висоті h, тобто коли він зробив переміщення , скористаємося тим, що при вільному падінні без початкової швидкості , , а , звідки .

Отже, .

Отже, повна механічна енергія вантажу на будь-якій висоті

дорівнює , тобто дорівнює його початковій енергії. А це й означає, що механічна енергія при падінні вантажу зберігається.

Таким чином,

• механічна енергія зберігається, якщо можна знехтувати тертям, тобто коли на тіло діють тільки сила ваги й сили пружності.

Це твердження називають законом збереження механічної енергії.

Помітимо, що збереження механічної енергії не означає збереження кінетичної й потенціальної енергій окремо: так, при падінні тіла його потенціальна енергія перетворюється в кінетичну, а при коливаннях маятників потенціальна й кінетична енергії неодноразово перетворюються одна в одну.

• Суму потенціальної й кінетичної енергії тіла називають його повною механічною енергією Е:

.

3. Приклади закону збереження механічної енергії

а) Коливання пружинного маятника

Вантаж на пружині опустили вниз.

Після відпускання вантажу пружина стискується. У міру її стискання сила пружності пружини зменшується, значить, зменшується й потенціальна енергія пружини. Проте одночасно зростає кінетична енергія вантажу, тому що при розгоні угору збільшується його швидкість. Одночасно зростає й потенціальна енергія вантажу під дією сили ваги, тому що вантаж піднімається вище. У цьому прикладі енергія перейшла з одного виду в інші: з потенціальної під дією сили пружності в кінетичну й потенціальну під дією сили ваги.

б) Коливання нитяного маятника

Відхилимо кульку на нитці вправо й відпустимо: він рухається вліво, збільшуючи швидкість. Отже, кінетична енергія зростає. Одночасно кулька опускається, і в середньому положенні її потенціальна енергія стає найменшою. Однак у цей момент швидкість є найбільшою. Отже, за рахунок запасу кінетичної енергії кулька продовжує рухатися вліво, піднімаючись усе вище. Це призводить до зростання її потенціальної енергії. Одночасно швидкість зменшується, що призводить до зменшення кінетичної енергії кульки.

У цьому прикладі енергія переходила з одного виду в інший: з кінетичної енергії в потенціальну енергію й навпаки.

в) Гальмування тіла силою тертя

Колодки гальмівні притиснулися до колеса. Сила тертя, що виникла між колесом і колодками, сповільнює обертання колеса, а отже, і швидкість поїзда. Під час тертя вони нагріваються настільки сильно, що, торкнувшись рукою, можна одержати опік.

Ми спостерігаємо перетворення енергії з одного її виду в інший й одночасно перехід від одного тіла до інших: кінетична енергія всього поїзда перетворювалася у внутрішню енергію його гальміних колодок, коліс і навколишнього повітря.

Цей приклад також ілюструє перетворення енергії з одного виду в інший й, одночасно, її перехід від одного тіла до інших.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Які перетворення енергії відбуваються при падінні тіла за відсутності опору повітря?
2. Які перетворення енергії відбуваються під час руху каменя, кинутого угору?
3. За якої умови зберігається механічна енергія?
4. Які перетворення енергії відбуваються за наявності тертя?

ІІІ. Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Хлопчик на санях спускається з гірки висотою 10 м. Чому б дорівнювала швидкість саней наприкінці спуску, якби механічна енергія під час спуску зберігалася?

2. Тіло вільно падає з висоти 10 м. Яка його швидкість на висоті 6 м над поверхнею Землі? Яка його швидкість у момент падіння на землю?

3. Автомобіль масою 2 т загальмував і зупинився, пройшовши шлях 50 м. Визначте роботу сили тертя й зміну кінетичної енергії автомобіля, якщо дорога горизонтальна, а коефіцієнт тертя дорівнює 0,4.

2. Поміркуй і відповідай

1. Шайба скочується із крижаної гірки, потрапляє на асфальт і зупиняється. Які перетворення енергії відбуваються при цьому?

2. Якими перетвореннями енергії супроводжується хід настінних годинників?

3. Пліт пливе вниз за течією ріки. Чи змінюється кінетична енергія плота? Потенціальна?

ІV. Домашнє завдання:

1. Опрацювати §-33   Впр.-33   Задача 2;3;4;6
2. Підготуватися до самостійної роботи  «Механічна робота, потужність, енергія. Закон збереження енергії».

Список використаних джерел:

Література:

- Альохіна Л. А. Фізика 8 клас: Розгорнуте календарне
   планування/ Альохіна Л.А. – Х.: Ранок, 2008. – 112с.
   ( книга одного автора )  
- Бар’яхтар В.Г. Фізика 7 клас: підручник/ - Бар’яхтар В.Г.,
   Довгий С.О. – Х.: Ранок, 2015. – 256 с.
   ( книга шістьох авторів )
- Кирик  Л. А. Усі уроки фізики. 8 клас./ Кирик Л. А.— Х.:
   Основа, 2008.— 352 с.
    ( книга одного автора )

Інтернет – ресурси ( для презентації):

- festival.1september.ru
- fizikа.ru
- lib.rus.ec
- elebrary.ru
- aldebaran.ru
- krugosvet.ru
- http://youtube.com/watch?v=rk1eoH1U3kM
- http://youtube.com/watch?v=X7hPUcA9QmM