Лабораторная работа № 5 "Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости"

Лабораторная работа № 5

Тема: "Сохранение механической энергии при движении тела под действием сил тяжести и упругости"

Цель: 1) сравнение двух величин—уменьшение потенциальной энергии прикрепленного к пружине тела при его падении и увеличение потенциальной энергии растянутой пружины.

2. научиться измерять энергию упруго деформированной пружины и энергию поднятого над землей тела

 Теория Основные сведения.

Если тело способно совершить работу, то говорят, что оно обладает энергией.

·         Механическая энергия тела – это скалярная величина, равная максимальной работе, которая может быть совершена в данных условиях.

·         Обозначается  Е Единица энергии в СИ  [1Дж = 1Н*м]

·         Кинетическая энергия – это энергия тела, обусловленная его движением.

·         Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела:

·         Кинетическая энергия – это энергия движения. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью  равна работе, которую должна совершить сила, приложенная к покоящемуся телу, чтобы сообщить ему эту скорость:

·         Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

·         Потенциальная энергия – энергия тела, обусловленная взаимным расположением взаимодействующих между собой тел или частей одного тела. 

·         Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести (потенциальная энергия тела, поднятого над землёй).

·         Ep = mgh

·         Она равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень.

·         Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Потенциальной энергией пружины (или любого упруго деформированного тела) называют величину

, где k – жесткость пружины, х - абсолютное удлинение тела.

·         Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией.

·         Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

·         Если тела, составляющие замкнутую механическую систему, взаимодействуют между собой только силами тяготения и упругости, то работа этих сил равна изменению потенциальной энергии тел, взятому с противоположным знаком:

A = –(Ep2 – Ep1).

·         По теореме о кинетической энергии эта работа равна изменению кинетической энергии тел:

A = Ek2 – Ek1

Следовательно   Ek2 – Ek1 = –(Ep2 – Ep1)      или        Ek1 + Ep1 = Ek2 + Ep2.

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной.

Это утверждение выражает закон сохранения энергии в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона.

Сумму E = Ek + Ep называют полной механической энергией.

Полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих между собой только консервативными силами, при любых движениях этих тел не изменяется. Происходят лишь взаимные превращения потенциальной энергии тел в их кинетическую энергию, и наоборот, или переход энергии от одного тела к другому.

Е = Ек + Еp = const 

Приборы и материалы: 1) динамометр, ( известна жесткость пружины, она равна 40 Н/м; 2) линейка измерительная; 3) груз из набора № 2; масса груза равна (0,100 ±0,002) кг; 4) фиксатор; 5) штатив с муфтой и лапкой.

Е₁=mgh - формула потенциальной энергии

а энергия пружины при ее деформации увеличивается на

Е₂=kx²/2

Порядок выполнения работы

1. Груз из набора по механике прочно укрепите на крючке динамометра.

2. Поднимите рукой груз, разгружая пружину, и установите фиксатор внизу у скобы.

3. Отпустите груз. Падая, груз растянет пружину. Снимите груз и по положению фиксатора измерьте линейкой максимальное удлинение х пружины.

4. Повторите опыт пять раз. Найдите среднее значение h и х

5. Подсчитайте Е_1ср=mgh и  Е_2ср=kx²/2

6. Результаты занесите в таблицу:

7. Сравните отношение Е_1ср/ Е_2ср с единицей и сделайте вывод о погрешности, с которой был проверен закон сохранения энергии.

8. Ответьте на контрольные вопросы.

1. Определяем максимальное удлинение х пружины и заносим в таблицу:

Контрольные вопросы.

1.       Какая энергия называется кинетической? По какой формуле она находится?

2.       Какая энергия называется потенциальной? По какой формуле она находится?

3.       Что называется полной механической энергией?

4.       Сформулируйте закон сохранения механической энергии.

задача 1 Капля воды свободно падает без начальной скорости с высоты метра h=36,45 метра. Какова ее скорость у поверхности земли? 

задача 2 Резиновый мячик бросают вертикально вниз со скоростью v1=2 м/с с высоты h1=90 см. Мячик абсолютно упруго отскакивает от бетонного пола. На какую максимальную высоту h2 он сможет подняться?
задача 3

 Скейтбордист подъехал к основанию горки со скоростью v1=9 м/с.
По наклону он поднимался по инерции, не отталкиваясь ногами. Высота горки h=3,6 м. Найти скорость скейтбордиста в конце подъема.

задача 4 Теннисный мячик бросают с высоты h1=10 м вертикально вниз со скоростью v=10 м/с, после чего он абсолютно упруго отталкивается от пола и летит вверх. Найти скорость мячика на высоте h2=14,2 м. Сопротивлением воздуха пренебречь.