Потенциальная и кинетическая энергия

1. Число:

2. Тема урока: Кинетическая и потенциальная энергия

3. Тип урока: урок ознакомления с новым материалом

4. Цель урока: познакомить с понятием энергии, как способностью тела совершать работу; дать определение потенциальной и кинетической энергии.

5. Учебно-воспитательные задачи урока:

Образовательная: познакомить учащихся с новой физической величиной – энергией и ее видами, развивать умение выявлять причинно-следственные связи, формировать навыки применения знаний при решении задач.

Развивающая: способствовать развитию мышления учащихся путем решения задач, развивать интеллектуальные способности, умение анализировать и обобщать материал

Воспитательная: способствовать развитию творческого отношения к учебной деятельности; воспитание аккуратности и внимательности при решении задач, активизировать интерес к учебному предмету

1. Формы работы: индивидуальная, фронтальная, групповая.

2. Средства обучения: Физика. 7 кл.: учебник для общеобразовательных учреждений /А.В. Перышкин. – 14-е изд., М.: Дрофа, 2017

3. План урока

1. Ход урока:

I. Организационный момент.

Приветствие, проверка подготовленности к учебному занятию, организация внимания детей. Создание благоприятного психологического настроя учащихся на активную работу на уроке.

II. Повторение и обобщение опорных знаний учащихся

Тестовая работа по вариантам

Вариант 1

1. Укажите, в каком из перечисленных случаев совершается механическая работа.

А. На столе стоит гиря

Б. На пружине висит груз

В. Трактор тянет прицеп

2. Определите работу, совершаемую при поднятии груза весом 4 Н на высоту 4 м.

А. 16 Дж

Б. 1 Дж

В. 8 Дж

3. На какую высоту надо поднять гирю весом 100 Н, чтобы совершить работу 200 Дж?

А. 1 м

Б. 1,5 м

В. 2 м

4. Альпинист поднялся в горах на высоту 2 км. Определите механическую работу, совершенную альпинистом при подъеме, если его масса вместе со снаряжением равна 85 кг.

А. 1,7 МДж

Б. 100 кДж

В. 170 кДж

5. Какая работа совершается при равномерном подъеме железной балки объемом 0,1 м3 на высоту 15 м?

А. 200 кДж

Б. 117 кДж

В. 100 кДж

6. Велосипедист за 10 с совершил работу 800 Дж. Чему равна мощность велосипедиста?

А. 80 Вт

Б. 40 Вт

В. 8000 Вт

7. Определите работу, совершаемую двигателем мощностью 400 Вт за 30 с.

А. 1200 Дж

Б. 15 000 Дж

В. 12 000 Дж

8. Какое время должен работать электродвигатель мощностью 200 Вт, чтобы совершить работу 2500 Дж?

А. 30 мин

Б. 12,5 с

В. 30 с

9. При движении на велосипеде по горизонтальной дороге со скоростью 9 км/ч развивается мощность 30 Вт. Найдите движущую силу.

А. 12 Н

Б. 24 Н

В. 40 Н

10. Вычислите мощность насоса, подающего ежеминутно 1200 кг воды на высоту 20 м.

А. 4 кВт

Б. 10 кВт

В. 20 кВт

Вариант 2

1. В каком из перечисленных случаев совершается механическая работа?

А. Вода давит на стенку сосуда

Б. Мальчик поднимается вверх по лестнице

В. Кирпич лежит на земле

2. Вычислите работу, произведенную силой 0,02 кН, если расстояние, пройденное телом по направлению действия этой силы, равно 20 м.

А. 20 Дж

Б. 10 Дж

В. 400 Дж

3. Какого веса груз можно поднять на высоту 2 м, совершив работу 10 Дж?

А. 2 Н

Б. 5 Н

В. 10 H

4. При помощи подъемного крана подняли груз массой 3 т на высоту 10 м. Какая при этом совершается работа?

А. 300 кДж

Б. 30 кДж

В. 3 кДж

5. Экскаватор поднял грунт объемом 0,25 м3 и плотностью 1500 кг/м3 на высоту 5 м. Вычислите работу, совершенную экскаватором.

А. 13 200 Дж

Б. 18 750 Дж

В. 10 кДж

6. Определите мощность электродвигателя, который за 10 мин совершает работу 3000 кДж.

А. 300 Вт

Б. 200 Вт

В. 5 кВт

7. Какую работу может совершить двигатель мощностью 600 Вт за 5 мин?

А. 180 кДж

Б. 250 кДж

В. 18 кДж

8. За какое время двигатель мощностью 4 кВт совершит работу в 30 000 Дж?

А. 7,5 с

Б. 40 с

В. 20 с

9. Определите мощность машины, которая поднимает молот весом 1 кН на высоту 0,5 м за 1 с.

А. 1 кВт

Б. 3 кВт

В. 0,5 кВт.

10. Какова мощность ракеты в конце разгона, если достигнутая скорость равна 8 км/с, а сила тяги двигателей — 300 кН?

А. 2,4 ⋅ 109 Вт

Б. 4 ⋅ 109 Вт

В. 4,2 ⋅ 109 Вт

Ответы: Вариант 1: 1-В, 2-А, 3-В, 4-А, 5-Б, 6-А, 7-В, 8-Б, 9-А, 10-А

Вариант 2: 1-Б, 2-В, 3-Б, 4-А, 5-Б, 6-В, 7-А, 8-А, 9-В, 10-А.

III. Изучение нового материала

Пример: Двое грузчиков работают на стройке. Однако один из них может носить по целому десятку кирпичей, а другой грузчик — только по два кирпича. Что совершают грузчики?

Грузчики совершают над кирпичами механическую работу.

Одинаковую ли работу они выполняют?

Первый грузчик выполняет большую работу, чем второй

Почему?

У первого больше энергии, чем у второго, поэтому он может выполнить большее количество работы.

По мере выполнения работы изменится ли способность грузчиков выполнять работу?

Да, по мере совершения работы способность грузчиков совершать новую работу уменьшается.

В этом случае говорят, что уменьшается энергия грузчиков. Т. е. при совершении телом работы его энергия уменьшается.

Энергия — физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу. Энергия скалярная величина, измеряется в джоулях.

Все живые организмы используют энергию для своей жизнедеятельности: растения — энергию солнца, животные и люди - энергию потребляемой пищи. Автомобили и самолеты, тепловозы и теплоходы работают, расходуя энергию сгорающего топлива, гидротурбины - энергию падающей с высоты воды. На заводах и фабриках работают станки и машины, используя электрическую энергию.

Рассмотрим два вида механической энергии:

1. Все тела, находящиеся в движении, обладают энергией. Например, двигающийся автомобиль может опрокинуть препятствие, находящийся в движении молоток может забить гвоздь.

Кинетическая энергия — энергия движущихся тел. «Кинетикос» по-гречески означает «относящийся к движению». Еще с древних времен человек использовал кинетическую энергию движущейся воды в реках и энергию движущегося воздуха — ветра.

Величина кинетической энергии зависит от массы тела m (кг) и скорости v (м/с). Кинетическая энергия тела равна половине от произведения массы на квадрат скорости.

Тело с большей массой обладает большей кинетической энергией. Однако скорость тела кинетическую энергию изменяет более стремительно (квадрат скорости, см. формулу). Например, чем больше масса шара, тем больше энергии он передаст кеглям при ударе, тем дальше они разлетятся. Например, чем больше скорость вращения лопастей, тем дальше вентилятор переместит поток воздуха.

Если тело находится в состоянии покоя, его кинетическая энергия равна нулю.

2. Энергию, которой обладают тела или части одного тела потому, что взаимодействуют с другими телами (или частями тела), называют  потенциальной энергией  (от лат. «потенциа» – возможность).

При всплытии мяч может совершить механическую работу, например, вытолкнуть нашу ладонь из воды на поверхность. Мяч взаимодействует с водой – архимедова сила выталкивает его на поверхность.

Расположенная на некоторой высоте гиря может совершить работу – расколоть орех. Гиря взаимодействует с Землёй – сила тяжести тянет гирю вниз.

Натянутая тетива лука может вытолкнуть стрелу. Тетива взаимодействует с другими частями лука – её натягивает сила упругости изогнутого древка лука.

Следовательно, рассмотренные тела обладают потенциальной энергией, так как взаимодействуют с другими телами (или частями тела). 

П отенциальная энергия одного и того же тела может быть различной по отношению к различным телам. Взгляните на рисунок. При падении гири на каждый из орехов обнаружится, что осколки второго ореха разлетятся намного дальше, чем осколки первого. Следовательно, по отношению к ореху 1 гиря обладает меньшей потенциальной энергией, чем по отношению к ореху 2.

Потенциальной энергией обладают:

1. Тела, поднятые над поверхностью земли (гиря при падении с высоты расколет орех).

2. Упруго деформированные тела (человек натягивает тетиву лука и выпускает стрелу).

3. Сжатые газы (расстояние между молекулами газа уменьшается, и увеличивается сила отталкивания между ними).

Важно: в отличие от кинетической энергии, потенциальная энергия не зависит от положения и движения наблюдателя, а зависит от выбора нами «нулевого уровня» энергии, чаще всего относительно поверхности Земли. Если считать потенциальную энергию тела, лежащего на Земле, равной нулю, то энергия тела, поднятого на какую-то высоту, определяется той работой, которую совершит сила тяжести при падении тела на Землю.

Потенциальную энергию тела, поднятого над опорой на высоту h, рассчитывают по формуле:

где m — масса тела, а g — ускорение свободного падения у поверхности Земли.

Огромной потенциальной энергией обладают воды водопада. Потенциальная энергия воды совпадает с работой силы притяжения Земли.

Потенциальная энергия накапливается в водах рек. Сила притяжения Земли производит работу, заставляя реки течь в более низко расположенное место — в море. Человек научился полезно использовать потенциальную энергию рек. В древние времена строили водяные мельницы, а с 20 века — гидроэлектростанции (ГЭС). Всем вам знаком Сулакский каскад ГЭС нашей республики. С суммарной действующей мощностью 1345,6 МВт, среднегодовой выработкой электроэнергии 3,6803 млрд кВт·ч.

IV. Закрепление материала

Сравните кинетические энергии следующих тел:

1. Грузовой и легковой автомобили, движущиеся со скоростью 60 км/ч.

2. Бегущий слон и пуля, вылетевшая из ружья.

3. Два самолета равной массы, летящие с одинаковой скоростью на разных высотах.

4. Автомобиль, обгоняющий другой автомобиль такой же массы.

Задачи:

• Какой кинетической энергией обладает велосипедист, масса которого вместе с велосипедом составляет 81 кг, а скорость движения равна 13 м/с?

• Какова потенциальная энергия камня, который поднят на высоту 12 м, и

масса которого составляет 12 кг? 

• Какой кинетической энергией обладает ядро массой 1 кг, летящее со скоростью 500 м/с?

• На какую высоту нужно поднять кирпич массой 3 кг, чтобы его потенциальная энергия возросла на 19,2 Дж?

V. Подведение итогов. Оценивание учащихся.

Домашнее задание § 66,67. Задачи 803, 804, 809, 818.

VI. Рефлексия. Что мы узнали?

Мы узнали, что такое кинетическая и потенциальная энергии. Потенциальной энергией не может обладать одно тело — это энергия взаимодействия тел. Кинетической энергией обладает любое движущееся тело.