Энергия это физика: 1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

Содержание

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

1.3. Энергия. Виды энергии и их особенности

Что представляет собой понятие «энергия», которое мы так часто используем? «Энергия» (греч. ενεργια – действие, деятельность) – общая количественная мера различных форм движения материи. По большому счету понятие энергии, идея энергии искусственны и созданы специально для того, чтобы быть результатом наших размышлений об окружающем мире. В отличие от материи, о которой мы можем сказать, что она существует, энергия – это плод мысли человека, его «изобретение», построенное так, чтобы была возможность описать различные изменения в окружающем мире и в то же время говорить о постоянстве, сохранении чего-то, что было названо энергией. Для этой физической величины долгое время употреблялся термин «живая сила», введенный И. Ньютоном. Впервые в истории в понятие «живая сила» смысл «энергия», не произнося ещё этого слова, вкладывает Роберт Майер в статье «Замечания о силах неживой природы», опубликованной в 1842 году.

Специальный термин «энергия» был введен в 1807 г. английским физиком Томасом Юнгом и обозначал величину, пропорциональную массе и квадрату скорости движущегося тела. В науку термин «энергия» в современном его смысле ввел Уильям Томсон (лорд Кельвин) в 1860 году.

Энергия проявляется в различных формах движения материи, заполняющей все мировое пространство. Свойством, присущим всем видам энергии и объединяющим их, является способность каждого вида энергии переходить при определенных условиях в любой другой ее вид в строго определенном количественном соотношении. Само название этого свойства – «закон сохранения и превращения энергии» – было введено в научное обращение Ф. Энгельсом, что позволило все виды энергии измерять в одних единицах. В качестве такой единицы принят джоуль (1 Дж =1 H · м =1 кг · м 2 /с 2). В то же время для измерения количества теплоты используют «старую» единицу – 1 кал (калория), для измерения механической энергии – величину 1 кГм = 9,8 Дж, электрической энергии – 1 кВт · ч = 3,6 МДж, при этом 1 Дж = 1 Вт · с.

Почти все виды энергии, рассматриваемые в технической термодинамике, за исключением тепловой, представляют собой энергию направленного движения. Так, механическая энергия проявляется в непосредственно наблюдаемом движении тел, имеющем определенное направление в пространстве (движение газа по трубе, полет снаряда, вращение вала и т. п.). Электрическая энергия проявляется в скрытом движении электронов по проводнику (электрический ток). Тепловая энергия выражается в молекулярном и внутримолекулярном хаотическом движении, представляя собой энергию хаотического движения атомов и молекул вещества. Тепловая энергия газов проявляется в колебательном, вращательном и поступательном движении молекул, которые постоянно меняют свою скорость по величине и направлению. При этом каждая молекула может беспорядочно перемещаться по всему объему газа. В твердых телах тепловая энергия проявляется в колебаниях молекул и атомов относительно положений, определяемых кристаллической структурой вещества, в жидкостях – в колебании и перемещении молекул или их комплексов.

Следовательно, коренным отличием тепловой энергии от других видов энергии является то, что она представляет собой энергию не направленного, а хаотического движения. В результате этого превращение тепловой энергии в любой вид энергии направленного движения имеет свои особенности, изучение которых и является одной из главных задач технической термодинамики.

Каждое тело в любом его состоянии может обладать одновременно различными видами энергии, в том числе тепловой, механической, электрической, химической, внутриядерной, а также потенциальной энергией различных физических полей (гравитационного, магнитного, электрического). Сумма всех видов энергии, которыми обладает тело, представляет собой полную его энергию.

Тепловая, химическая и внутриядерная энергии входят в состав внутренней энергии тела. Все прочие виды энергии, связанные с перемещением тела, а также потенциальная энергия внешних физических полей относятся к его внешней энергии. Например, внешней энергией летящего снаряда в зоне действия сил земного притяжения будет сумма его кинетической Е к и потенциальной энергии гравитационного поля E п.

г.. Если газ или жидкость движутся непрерывным потоком в трубе, то в их внешнюю энергию дополнительно входит энергия проталкивания, иногда называемая энергией давления Е пр.

Внешняя энергия, следовательно, представляет собой сумму

Е в н = Е к + Σ Е п i +Е п р, где Е п i – потенциальная энергия i -го поля (магнитного, электростатического и т. д.).

Внутренняя энергия тела U может быть представлена как бы состоящей из двух частей: внутренней тепловой энергии U Т и U 0 – внутренней нулевой энергии тела, условно охлажденного до абсолютного нуля температуры:

U=U 0 +U Т .

Внутренней тепловой энергией является та часть полной внутренней энергии тела, которая связана с тепловым хаотическим движением молекул и атомов и может быть выражена через температуру тела и другие его параметры. Поскольку температура реального тела только частично отражает его внутреннюю тепловую энергию, изменение последней может иметь место и при постоянной температуре тела.

Примерами этого являются процессы испарения, плавления, сублимации, в которых происходит фазовое превращение и меняется степень хаотичности молекулярного движения.

Таким образом, полная энергия тела в общем случае может быть представлена в виде суммы внутренней нулевой U 0, внутренней тепловой U Т, внешней кинетической Е к энергий, совокупных внешних потенциальных Σ Е п i энергий и энергии проталкивания Е п р :Е=U 0 +U Т +Е к + Σ Е п i +Е п р.

Каждая из этих составляющих полной энергии может при определенных условиях превращаться одна в другую. Например, в химических реакциях имеет место взаимное превращение U 0 вU Т. Если реакция экзотермическая, то часть нулевой энергии превращается в тепловую. Нулевая энергия полученных веществ оказывается меньшей, чем исходных, – происходит «выделение тепла». В эндотермических реакциях отмечается обратное явление: нулевая энергия увеличивается за счет уменьшения тепловой энергии – происходит «поглощение тепла».

В процессах, не связанных с изменением химического состава вещества, нулевая энергия не изменяется и остается постоянной.

В этих условиях изменяется только внутренняя тепловая энергия. Это позволяет в различных расчетных уравнениях учитывать изменение лишь внутренней тепловой энергии, которую в дальнейшем будем называть просто внутренней энергией U. Если однородное тело массой m имеет внутреннюю энергию U,то внутренняя энергия 1 кг этого тела u=U/m.

Величину и называют удельной внутренней энергией и измеряют в Дж/кг.

Внешняя кинетическая энергия (Дж) представляет собой энергию поступательного движения тела как целого и выражается формулой

E к =mw 2 /2, где m – масса тела, кг; w – скорость движения, м/с.

Внешняя потенциальная энергия как энергия направленного действия статических полей может быть выражена через возможные работы каждого поля от заданного положения до каких-то нулевых. Так, потенциальная энергия гравитационного поля выражается как произведение силы тяжести mg этого тела на его высоту H над каким-либо нулем отсчета:

E = mgH.

Здесь высота H представляет собой соответствующую координату.

Энергия проталкивания Е п р представляет собой дополнительную энергию вещества, возникающую в системе за счет воздействия на него других частей системы, стремящихся вытолкнуть это вещество из занимаемого сосуда. Так, при течении газа (или пара) по трубе или какому-либо каналу в условиях сплошного потока каждый килограмм этого газа, кроме внутренней и внешних кинетической и потенциальных энергий, обладает еще дополнительной, переносимой на себе энергией проталкивания:

E пр . =p υ,

где p – удельное давление; υ – удельный объем (объем 1 кг массы вещества).

Для газов, паров и жидкостей, находящихся в потоке, величина p υ (или pV для m кг вещества) определяет неотъемлемую часть их

энергии. Поэтому для веществ, находящихся в сплошном потоке, определяющим параметром будет уже не внутренняя энергия U, а сумма U+pV=I, называемая энтальпией. Для 1 кг вещества i =u+ p υ, где i – в Дж/кг.

Такой же энергией i обладает и 1 кг газа, находящийся в цилиндре, при вытеснении его поршнем.

Полная энергия рассматриваемой системы, состоящей из 1 кг газа и действующего на него поршня, будет равна сумме внутренней энергии и газа и энергии p υ его выталкивания, т. е. равна его энтальпии. На этом основании энтальпию часто называют энергией расширенной системы.

Физики впервые получили материю из чистой энергии

https://ria.ru/20210730/fotony-1743632531.html

Физики впервые получили материю из чистой энергии

Физики впервые получили материю из чистой энергии – РИА Новости, 30.07.2021

Физики впервые получили материю из чистой энергии

Ученые, работающие на детекторе STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, сообщили о том, что им удалось получить убедительные доказательства двух… РИА Новости, 30.07.2021

2021-07-30T14:56

2021-07-30T14:56

2021-07-30T17:23

наука

сша

космос – риа наука

министерство энергетики сша

физика

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/07e5/07/1e/1743629095_0:28:700:422_1920x0_80_0_0_c5bc4df77277ac36e880bb9f70258a55.png

МОСКВА, 30 июл — РИА Новости. Ученые, работающие на детекторе STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, сообщили о том, что им удалось получить убедительные доказательства двух физических явлений, предсказанных более 80 лет назад, — образование вещества непосредственно из света и того, что магнетизм может изгибать поляризованные фотоны в вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.Детектор STAR — один из четырех экспериментов на коллайдере релятивистских ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.Основное открытие состоит в том, что пары электронов и позитронов — частицы вещества и антивещества — могут быть созданы непосредственно путем столкновения очень энергичных фотонов, которые представляют собой квантовые “пакеты” света.Это преобразование энергичного света в материю — прямое следствие знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2, в котором говорится, что энергия и материя, или масса, взаимозаменяемы. Ядерные реакции на Солнце и на атомных электростанциях регулярно превращают вещество в энергию. Теперь ученые преобразовали световую энергию назад в материю непосредственно за один шаг.Второй результат показывает, что путь света, проходящего через магнитное поле в вакууме, изгибается по-разному, в зависимости от того, как этот свет поляризован. Такое зависящее от поляризации отклонение, известное как двойное лучепреломление, происходит, когда свет проходит через определенные материалы.Оба результата были получены благодаря способности детектора RHIC STAR измерять угловое распределение частиц, образующихся при скользящих столкновениях ионов золота, движущихся почти со скоростью света. Таких возможностей не существовало, когда в 1934 году физики Грегори Брейт и Джон Уиллер впервые описали гипотетическую возможность столкновения легких частиц с образованием пар электронов и их аналогов из антивещества, известных как позитроны.”В своей статье Брейт и Уиллер отметили, что это практически невозможно сделать, — приводятся в пресс-релизе Брукхейвенской лаборатории слова одного из авторов исследования, физика Чжанбу Сю (Zhangbu Xu), члена коллаборации RHIC STAR. — Лазеров тогда еще не было. Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу — ускорение тяжелых ионов. И это именно то, что мы делаем в RHIC”.Ученые разогнали ионы золота до 99,995 процента скорости света в двух кольцах коллайдера.”У нас есть два облака фотонов, движущихся в противоположных направлениях с достаточной энергией и интенсивностью, чтобы, когда два иона скользят мимо друг друга, не сталкиваясь, эти фотонные поля могли взаимодействовать”, — объясняет Сю.Физики STAR отслеживали взаимодействия и искали предсказанные электрон-позитронные пары. Но такие пары частиц могут быть созданы в том числе с помощью кратковременных состояний “виртуальных” фотонов. Чтобы отличить реальные фотоны от виртуальных, авторы анализировали закономерности углового распределения каждого электрона по отношению к его позитрону-партнеру. Эти паттерны распределения различаются для пар, образованных взаимодействием реальных и виртуальных фотонов.”Мы также измерили энергию, массовое распределение и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами и подтверждают, что это могло произойти с реальными фотонами, — говорит еще один участник исследования, Дэниел Бранденбург (Daniel Brandenburg), научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории. — Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар “материя — антивещество” в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер”.Еще в одном эксперименте ученые доказали, что поляризация влияет на взаимодействие света с магнитным полем в вакууме. Этот эффект, подобный тому, как зависящее от длины волны отклонение разделяет белый свет на радугу, был предсказан еще в 1936 году. Но в эксперименте явление поляризационно-зависимого отклонения света в вакууме наблюдали впервые.

https://ria.ru/20210603/materiya-1735411502.html

https://ria.ru/20210428/kvanty-1730195883.html

сша

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

2021

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/07e5/07/1e/1743629095_79:0:700:466_1920x0_80_0_0_9309819077148a60059512d155849de1.png

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

сша, космос – риа наука, министерство энергетики сша, физика

МОСКВА, 30 июл — РИА Новости. Ученые, работающие на детекторе STAR в Брукхейвенской национальной лаборатории в США, сообщили о том, что им удалось получить убедительные доказательства двух физических явлений, предсказанных более 80 лет назад, — образование вещества непосредственно из света и того, что магнетизм может изгибать поляризованные фотоны в вакууме. Результаты исследования опубликованы в журнале Physical Review Letters.Детектор STAR — один из четырех экспериментов на коллайдере релятивистских ионов (RHIC) в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США.

Основное открытие состоит в том, что пары электронов и позитронов — частицы вещества и антивещества — могут быть созданы непосредственно путем столкновения очень энергичных фотонов, которые представляют собой квантовые “пакеты” света.

Это преобразование энергичного света в материю — прямое следствие знаменитого уравнения Эйнштейна E = mc2, в котором говорится, что энергия и материя, или масса, взаимозаменяемы. Ядерные реакции на Солнце и на атомных электростанциях регулярно превращают вещество в энергию. Теперь ученые преобразовали световую энергию назад в материю непосредственно за один шаг.

Второй результат показывает, что путь света, проходящего через магнитное поле в вакууме, изгибается по-разному, в зависимости от того, как этот свет поляризован. Такое зависящее от поляризации отклонение, известное как двойное лучепреломление, происходит, когда свет проходит через определенные материалы.

3 июня 2021, 13:11НаукаФизики предположили, что темная материя существует в другом измерении

Оба результата были получены благодаря способности детектора RHIC STAR измерять угловое распределение частиц, образующихся при скользящих столкновениях ионов золота, движущихся почти со скоростью света. Таких возможностей не существовало, когда в 1934 году физики Грегори Брейт и Джон Уиллер впервые описали гипотетическую возможность столкновения легких частиц с образованием пар электронов и их аналогов из антивещества, известных как позитроны.

“В своей статье Брейт и Уиллер отметили, что это практически невозможно сделать, — приводятся в пресс-релизе Брукхейвенской лаборатории слова одного из авторов исследования, физика Чжанбу Сю (Zhangbu Xu), члена коллаборации RHIC STAR. — Лазеров тогда еще не было. Но Брейт и Уиллер предложили альтернативу — ускорение тяжелых ионов. И это именно то, что мы делаем в RHIC”.

Ученые разогнали ионы золота до 99,995 процента скорости света в двух кольцах коллайдера.

“У нас есть два облака фотонов, движущихся в противоположных направлениях с достаточной энергией и интенсивностью, чтобы, когда два иона скользят мимо друг друга, не сталкиваясь, эти фотонные поля могли взаимодействовать”, — объясняет Сю.

Физики STAR отслеживали взаимодействия и искали предсказанные электрон-позитронные пары. Но такие пары частиц могут быть созданы в том числе с помощью кратковременных состояний “виртуальных” фотонов. Чтобы отличить реальные фотоны от виртуальных, авторы анализировали закономерности углового распределения каждого электрона по отношению к его позитрону-партнеру. Эти паттерны распределения различаются для пар, образованных взаимодействием реальных и виртуальных фотонов.

28 апреля 2021, 18:00НаукаФизики впервые создали молекулярную квантовую систему

“Мы также измерили энергию, массовое распределение и квантовые числа систем. Они согласуются с теоретическими расчетами и подтверждают, что это могло произойти с реальными фотонами, — говорит еще один участник исследования, Дэниел Бранденбург (Daniel Brandenburg), научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории. — Наши результаты представляют собой четкое свидетельство прямого одноэтапного создания пар “материя — антивещество” в результате столкновений света, как первоначально предсказывали Брейт и Уиллер”.

Еще в одном эксперименте ученые доказали, что поляризация влияет на взаимодействие света с магнитным полем в вакууме. Этот эффект, подобный тому, как зависящее от длины волны отклонение разделяет белый свет на радугу, был предсказан еще в 1936 году. Но в эксперименте явление поляризационно-зависимого отклонения света в вакууме наблюдали впервые.

Физика. Механика

Запишем уравнение движения материальной точки:

где F — результирующая сила. Умножим уравнение движения скалярно на ds = vdt

:

В правой части уравнения мы получили элементарную работу , в левой — выражение, которое можно преобразовать к виду полного дифференциала:

В результате имеем

то есть элементарная работа, совершенная силой F при перемещении ds материальной точки массой m равна приращению величины mv2/2 + const. По размерности это энергия (энергия имеет ту же размерность, что и работа). Получается, что сила совершает некоторую работу, и на такое же количество возрастает указанная величина с размерностью энергии, причем энергии, обусловленной самим фактом движения со скоростью v. Поэтому в нерелятивистской (ньютоновской) механике произвольную константу полагают равной нулю, а то, что осталось, называют кинетической энергией частицы массы m, движущейся со скоростью v. Будем обозначать кинетическую энергию буквой K, другое общепринятое обозначение: буква T. Таким образом, по определению:

Кинетическую энергию материальной точки можно также выразить через ее импульс :

Если F = 0 (система замкнута), то работа сил равна нулю, следовательно, равно нулю приращение кинетической энергии. Иными словами, кинетическая энергия в этом случае сохраняется: К = const. На этом уровне нашего знакомства с законами природы трудно обнаружить особый смысл в введении нового понятия — кинетической энергии, поскольку она полностью определяется импульсом частицы. Но не будем торопиться с выводами. Вся глубина понятия энергии будет выявлена в дальнейшем, когда выяснится, что кинетическая энергия — лишь одна из многочисленных форм энергии.

Выражение для кинетической энергии устанавливает единицу измерения энергии.

В системе СИ единицей измерения работы является джоуль (Дж):

Пример. Найти кинетическую энергию Земли в ее годичном движении вокруг Солнца. Расстояние до Солнца R = 150 млн. км, масса Земли равна MЗ = 6 • 1024 кг.

Мы знаем, что расстояние

Земля преодолевает за время

Отсюда скорость орбитального движения Земли равна

Кинетическая энергия Земли будет равна

На рис. 4.4 показаны характерные значения энергий некоторых физических процессов.

Рис. 4.4. Энергия некоторых физических процессов

Энергия. Потенциальная и кинетическая энергия. Что такое энергия в физике?

Энергия – это то, благодаря чему существует жизнь не только на нашей планете, но и во Вселенной. При этом она может быть очень разной. Так, тепло, звук, свет, электричество, микроволны, калории представляют собой различные виды энергии. Для всех процессов, происходящих вокруг нас, необходима эта субстанция. Большую часть энергии все сущее на Земле получает от Солнца, но имеются и другие ее источники. Солнце передает ее нашей планете столько, сколько бы выработали одновременно 100 млн самых мощных электростанций.

Что такое энергия?

В теории, выдвинутой Альбертом Эйнштейном, изучается взаимосвязь материи и энергии. Этот великий ученый смог доказать способность одной субстанции превращаться в другую. При этом выяснилось, что энергия является самым важным фактором существования тел, а материя вторична.

Энергия – это, по большому счету, способность выполнять какую-то работу. Именно она стоит за понятием силы, способной двигать тело или придавать ему новые свойства. Что же означает термин «энергия»? Физика – это фундаментальная наука, которой посвятили свою жизнь многие ученые разных эпох и стран. Еще Аристотель использовал слово «энергия» для обозначения деятельности человека. В переводе с греческого языка «энергия» – это «деятельность», «сила», «действие», «мощь». Первый раз это слово появилось в трактате ученого-грека под названием «Физика».

В общепринятом сейчас смысле данный термин был введен в обиход английским ученым-физиком Томасом Юнгом. Это знаменательное событие произошло в далеком 1807 году. В 50-х годах XIX в. английский механик Уильям Томсон впервые использовал понятие «кинетическая энгергия», а в 1853 г. шотландский физик Уильям Ренкин ввел термин «потенциальная энергия».

Сегодня эта скалярная величина присутствует во всех разделах физики. Она является единой мерой различных форм движения и взаимодействия материи. Другими словами, она представляет собой меру преобразования одних форм в другие.

Единицы измерения и обозначения

Количество энергии измеряется в джоулях (Дж). Эта специальная единица в зависимости от вида энергии может иметь разные обозначения, например:

  • W – полная энергия системы.
  • Q – тепловая.
  • U – потенциальная.

Виды энергии

В природе существует множество самых разных видов энергии. Основными из них считаются:

  • механическая;
  • электромагнитная;
  • электрическая;
  • химическая;
  • тепловая;
  • ядерная (атомная).

Есть и другие виды энергии: световая, звука, магнитная. В последние годы все большее число ученых-физиков склоняются к гипотезе о существовании так называемой «темной» энергии. Каждый из перечисленных ранее видов данной субстанции имеет свои особенности. Например, энергия звука способна передаваться при помощи волн. Они способствуют возникновению вибрации барабанных перепонок в ухе людей и животных, благодаря которой можно слышать звуки. В ходе различных химических реакций высвобождается энергия, необходимая для жизнедеятельности всех организмов. Любое топливо, продукты питания, аккумуляторы, батарейки являются хранилищем этой энергии.

Наше светило дает Земле энергию в виде электромагнитных волн. Только так она может преодолеть просторы Космоса. Благодаря современным технологиям, таким как солнечные батареи, мы можем использовать ее с наибольшим эффектом. Излишки неиспользованной энергии аккумулируются в особых энергохранилищах. Наряду с вышеперечисленными видами энергии часто используются термальные источники, реки, приливы и отливы океана, биотопливо.

Механическая энергия

Этот вид энергии изучается в разделе физики, называемом «Механикой». Она обозначается буквой Е. Ее измерение осуществляется в джоулях (Дж). Что собой представляет эта энергия? Физика механики изучает движение тел и взаимодействие их друг с другом либо с внешними полями. При этом энергия, обусловленная движением тел, называется кинетической (обозначается Ек), а энергию, обусловленную взаимодействием тел или внешних полей, именуют потенциальной (Еп). Сумма движения и взаимодействия представляет собой полную механическую энергию системы.

Для расчета обоих видов существует общее правило. Для определения величины энергии следует вычислить работу, необходимую для перевода тела из нулевого состояния в данное состояние. При этом чем больше работа, тем большей энергией будет обладать тело в данном состоянии.

Разделение видов по разным признакам

Существует несколько видов разделения энергии. По разным признакам ее делят на: внешнюю (кинетическую и потенциальную) и внутреннюю (механическую, термическую, электромагнитную, ядерную, гравитационную). Электромагнитная энергия в свою очередь подразделяется на магнитную и электрическую, а ядерная – на энергию слабого и сильного взаимодействия.

Кинетическая

Любые движущиеся тела отличаются наличием кинетической энергии. Она часто так и называется – движущей. Энергия тела, которое движется, теряется при его замедлении. Таким образом, чем быстрее скорость, тем больше кинетическая энергия.

При соприкосновении движущегося тела с неподвижным объектом последнему передается часть кинетической, приводящая и его в движение. Формула энергии кинетической следующая:

  • Ек = mv2 : 2,
    где m — масса тела, v – скорость движения тела.

В словах эту формулу можно выразить следующим образом: кинетическая энергия объекта равна половине произведения его массы на квадрат его скорости.

Потенциальная

Этим видом энергии обладают тела, которые находятся в каком-либо силовом поле. Так, магнитная возникает, когда объект находится под действием магнитного поля. Все тела, находящиеся на земле, обладают потенциальной гравитационной энергией.

В зависимости от свойств объектов изучения они могут иметь различные виды потенциальной энергии. Так, упругие и эластичные тела, которые способны вытягиваться, имеют потенциальную энергию упругости либо натяжения. Любое падающее тело, которое было ранее неподвижно, теряет потенциальную и приобретает кинетическую. При этом величина этих двух видов будет равнозначна. В поле тяготения нашей планеты формула энергии потенциальной будет иметь следующий вид:

  • Еп = mhg,
    где m — масса тела; h – высота центра массы тела над нулевым уровнем; g – ускорение свободного падения.

В словах эту формулу можно выразить так: потенциальная энергия объекта, взаимодействующего с Землей, равна произведению его массы, ускорению свободного падения и высоты, на которой оно находится.

Эта скалярная величина является характеристикой запаса энергии материальной точки (тела), находящейся в потенциальном силовом поле и идущей на приобретение кинетической энергии за счет работы сил поля. Иногда ее называют функцией координат, являющейся слагаемым в лангранжиане системы (функция Лагранжа динамической системы). Эта система описывает их взаимодействие.

Потенциальную энергию приравнивают к нулю для некой конфигурации тел, расположенных в пространстве. Выбор конфигурации определяется удобством дальнейших вычислений и называется «нормировкой потенциальной энергии».

Закон сохранения энергии

Одним из самых основных постулатов физики является Закон сохранения энергии. В соответствии с ним, энергия ниоткуда не возникает и никуда не исчезает. Она постоянно переходит из одной формы в другую. Иными словами, происходит только изменение энергии. Так, например, химическая энергия аккумулятора фонарика преобразуется в электрическую, а из нее – в световую и тепловую. Различные бытовые приборы превращают электрическую в свет, тепло или звук. Чаще всего конечным результатом изменения являются тепло и свет. После этого энергия уходит в окружающее пространство.

Закон энергии способен объяснить многие физические явления. Ученые утверждают, что общий объем ее во Вселенной постоянно остается неизменным. Никто не может создать энергию заново или уничтожить. Вырабатывая один из ее видов, люди используют энергию топлива, падающей воды, атома. При этом один ее вид превращается в другой.

В 1918 г. ученые смогли доказать, что закон сохранения энергии представляет собой математическое следствие трансляционной симметрии времени – величины сопряженной энергии. Другими словами, энергия сохраняется вследствие того, что законы физики не отличаются в различные моменты времени.

Особенности энергии

Энергия – это способность тела совершать работу. В замкнутых физических системах она сохраняется на протяжении всего времени (пока система будет замкнутой) и представляет собой один из трех аддитивных интегралов движения, сохраняющих величину при движении. К ним относятся: энергия, момент импульса, импульс. Введение понятия «энергия» целесообразно тогда, когда физическая система однородна во времени.

Внутрення энергия тел

Она представляет собой сумму энергий молекулярных взаимодействий и тепловых движений молекул, составляющих его. Ее нельзя измерить напрямую, поскольку она является однозначной функцией состояния системы. Всегда, когда система оказывается в данном состоянии, ее внутренняя энергия имеет присущее ему значение, независимо от истории существования системы. Изменение внутренней энергии в процессе перехода из одного физического состояния в другое всегда равно разности между ее значениями в конечном и начальном состояниях.

Внутренняя энергия газа

Помимо твердых тел, энергию имеют и газы. Она представляет собой кинетическую энергию теплового (хаотического) движения частиц системы, к которым относятся атомы, молекулы, электроны, ядра. Внутренней энергией идеального газа (математической модели газа) является сумма кинетических энергий его частиц. При этом учитывается число степеней свободы, представляющее собой число независимых переменных, определяющих положение молекулы в пространстве.

Использование энергии

С каждым годом человечество потребляет все большее количество энергоресурсов. Чаще всего для получения энергии, необходимой для освещения и отопления наших жилищ, работы автотранспорта и различных механизмов, используются такие ископаемые углеводороды, как уголь, нефть и газ. Они относятся к невозобновимым ресурсам.

К сожалению, только незначительная часть энергии добывается на нашей планете с помощью возобновимых ресурсов, таких как вода, ветер и Солнце. На сегодняшний день их удельный вес в энергетике составляет всего 5 %. Еще 3 % люди получают в виде ядерной энергии, производимой на атомных электростанциях.

Невозобновляемые ресурсы имеют следующие запасы (в джоулях):

  • ядерная энергия – 2 х 1024;
  • энергия газа и нефти – 2 х 10 23;
  • внутренне тепло планеты – 5 х 1020.

Годовая величина возобновляемых ресурсов Земли:

  • энергия Солнца – 2 х 1024;
  • ветер – 6 х 1021;
  • реки – 6,5 х 1019;
  • морские приливы – 2,5 х 1023.

Только при своевременном переходе от использования невозобновляемых запасов энергии Земли к возобновляемым человечество имеет шанс на долгое и счастливое существование на нашей планете. Для воплощения передовых разработок ученые всего мира продолжают тщательно изучать разнообразные свойства энергии.

Физика 8 класс. Внутренняя энергия. Способы изменения внутренней энергии :: Класс!ная физика


Физика 8 класс. ВНУТРЕННЯЯ ЭНЕРГИЯ

Все тела состоят из молекул, которые непрерывно движутся и взаимодействуют друг с другом.
Они обладают одновременно кинетической и потенциальной энергией.
Эти энергии и составляют внутреннюю энергию тела.


Таким образом, внутренняя энергия – это энергия движения и взаимодействия частиц,
из которых состоит тело.
Внутренняя энергия характеризует тепловое состояние тела.

ЗАГЛЯНИ НА КНИЖНУЮ ПОЛКУ !


ДОМАШНИЕ ОПЫТЫ

1.

Сделайте около 50 интенсивных ударов молотком по железному предмету.
Проверьте на ощупь изменение температуры металла и молотка. Объясните явление.

 

2.

Положите монету на кусок деревянной доски и энергично потрите ее, прижимая к поверхности,
в течение нескольких минут. Руками проверьте, как изменилась температура монеты.
Объясните результат.


СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ВНУТРЕННЕЙ ЭНЕРГИИ

Внутреннюю энергию можно изменить двумя способами.

Если работа совершается над телом, его внутренняя энергия увеличивается.


Если работу совершает само тело, его внутренняя энергия уменьшается.


ДОМАШНИЕ ОПЫТЫ

1.

Возьмите новый целый полиэтиленовый пакет. Ополосните пакет внутри горячей водой так,
чтобы остались капли. Герметично привяжите его к наконечнику велосипедного насоса
или большой резиновой груши. Энергично накачайте воздух в пакет, чтобы он лопнул.
В воздухе появится туман. Объясните наблюдаемое явление.

2.

Измерьте домашним термометром температуру воды, налитой в банку или бутылку.
Плотно закройте сосуд и 10–15 мин интенсивно встряхивайте его,
после чего вновь измерьте температуру.
Чтобы исключить передачу тепла от рук, наденьте варежки или заверните сосуд в полотенце.
Какой способ изменения внутренней энергии вы использовали? Поясните.

3.

Возьмите резиновую ленту, связанную кольцом, приложите ленту ко лбу и запомните ее температуру. Удерживая резину пальцами руки, несколько раз энергично растяните и в растянутом виде снова прижмите ко лбу. Сделайте вывод о температуре и причинах, вызвавших изменение.


ЗАДАЧИ ДЛЯ ЛЮБИТЕЛЕЙ ПОДУМАТЬ

(или “5” падают с неба)

1. Если кусок алюминиевой проволоки расклепать на наковальне или быстро изгибать в одном и том же месте то в одну, то в другую сторону, то это место сильно нагревается. Объясните явление.

2. Молоток нагревается и когда им бьют, например, по наковальне, и когда он лежит на солнце в жаркий летний день. Назовите способы изменения внутренней энергии молотка в обоих случаях.

3. Два одинаковых латунных шарика упали с одной и той же высоты. Первый упал в глину, а второй, ударившись о камень, отскочил и был пойман рукой на некоторой высоте. Который из шариков больше изменил свою внутреннюю энергию?

Жду ответов!


“ВОЗДУШНОЕ ОГНИВО”

Устали? – Отдыхаем!

Кинетическая и потенциальная энергия

Ранее говорилось о том, что механическое состояние тела или системы тел определяется его положением относительно других тел и его скоростью. Если изменяется хотя бы одна из этих величин, то говорят, что изменяется механическое состояние тела.

В курсе физики 7 класса говорилось, что количественно механическое состояние системы и его изменение характеризуется механической энергией.

Механическая энергия — это физическая скалярная величина, являющаяся функцией состояния системы и характеризующая способность системы совершать работу. Изменение механической энергии равно работе приложенных к системе внешних сил.

Вспомним, как энергия тела зависит от его скорости. Пусть на тело массой m действует постоянная сила F, направленная вдоль перемещения, и скорость тела изменяется от  до .

Работа этой силы будет определяться произведением силы на модуль вектора перемещения.

По второму закону Ньютона сила есть произведение массы тела на его ускорение.

Известно, что при равноускоренном движении ускорение можно определить по формуле

Если теперь, все собрать  в одну формулу и произвести небольшие математические преобразования, получим:

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

Кинетическая энергияэто энергия, которой обладает тело вследствие своего движения.

Обозначается кинетическая энергия буквой Еk и измеряется в Джоулях.

Кинетической энергией обладают все движущиеся тела. Будь-то идущий человек или движущийся автомобиль, летящий самолет или наша планета, которая движется вокруг Солнца.

Тогда формулу для работы можно переписать в виде

Эта формула является математической записью теоремы об изменении кинетической энергии: изменение кинетической энергии равно работе равнодействующей всех сил действующей на тело.

Эта теорема справедлива независимо от того, какие силы действуют на тело: сила трения, сила тяжести или сила упругости.

А если тела не движутся? Обладают ли они какой-либо энергией?

Энергия системы, определяемая взаимным расположением тел или частей тела друг относительно друга и характером сил взаимодействия между ними, называется потенциальной энергией.

Рассмотрим некоторое тело, находящееся в гравитационном поле Земли.

При перемещении тела с высоты h1, относительно нулевого уровня, на высоту h2 сила тяжести совершает работу

Величину, равную произведению массы тела на высоту и на коэффициент пропорциональности g назвали потенциальной энергией.

Т.е. потенциальная энергия тела в поле тяготения — это энергия, обусловленная взаимодействием тела с Землей; она зависит от их взаимного положения и равна работе, которую совершает сила тяжести при перемещении тела из данного положения на нулевой уровень.

Обозначают её буквой Еp и единицей измерения, как и в случае кинетической энергии, является Джоуль.

Тогда, выражение для работы запишется как:

Т.е. изменение потенциальной энергии тела, которое находится в гравитационном поле Земли, взятое с обратным знаком, равно работе силы тяжести.

Знак «минус» перед величиной изменения потенциальной энергии означает, что при положительной работе силы тяжести эта энергия уменьшается. И, наоборот, при отрицательной работе силы тяжести (например, тело брошено вертикально вверх) потенциальная энергия тела увеличивается.

В отличие от кинетической энергии, которая зависит от скорости движения тела, потенциальная энергия от скорости не зависит, так что ею может обладать и покоящееся тело. Потенциальная энергия зависит от положения тела относительно нулевого уровня, т. е. от координат тела, ведь высота — как раз и есть координата тела.

Нулевойуровеньдляпотенциальнойэнергииможновыбиратьсовершеннопроизвольно.

Например, птицы, сидящие на проводах, относительно проводов будут обладать нулевой потенциальной энергией, а относительно земли или крыши дома, энергия будет отлична от нуля. Причем относительно земли эта энергия будет больше, чем относительно крыши дома.

Рассмотрим, как будет изменяться потенциальная энергия упруго деформированного тела.

Рассмотрим взаимодействие сжатой пружины с шаром, находящимся нагладкой горизонтальной поверхности. Пружина действует на шар с силой упругости и, под действием этой силы, шар будет совершать колебательное движение.

  

Для определения работы, выполненной пружиной по перемещению тела, необходимо учитывать, что сила упругости меняется, т.к. ее величина зависит от удлинения пружины. Используя график зависимости силы упругости от удлинения пружины, определим работу силы как площадь фигуры под графиком силы (площадь трапеции), которая равна произведению полу суммы ее оснований на высоту.

,

Из формулы видно, что работа силы упругости пружины зависит только от координат тела в начальный и конечный момент времени и не зависит от траектории движения тела.

Эту формулу можно переписать в виде

В правой части стоит изменение какой-то величины со знаком минус. Как и в случае с работой силы тяжести, эта величина представляет собой потенциальную энергию упругодеформированного тела.

Т.е.

Тогда формула для работы упруго деформированного тела примет такой же вид, как и в случае с потенциальной энергией тела в гравитационном поле Земли.

Потенциальная энергия упругодеформированного тела — это энергия, обусловленная взаимодействием частей тела между собой. Она равна работе, которую совершают внешние силы, чтобы недеформированную пружину сжать или растянуть на некоторую величину.

Работа силы упругости зависит от жесткости пружины и ее деформации. Поэтому потенциальная энергия упругодеформированного тела тоже зависит от жесткости пружины и ее деформации.

Основные выводы:

– Механическая энергия — это физическая скалярная величина, являющаяся функцией состояния системы и характеризующая способность системы совершать работу.

– В свою очередь, механическая энергия делится на два вида — кинетическую и потенциальную.

– Кинетическая энергия — это энергия, которой обладает тело вследствие своего движения. А ее изменение равно работе равнодействующей всех сил действующей на тело.

– Потенциальная энергия — это энергия, определяемая взаимным расположением тел или частей тела друг относительно друга и характером сил взаимодействия между ними.

– Потенциальная энергия тела бывает двух видов: потенциальная энергия тела в поле тяготения — это энергия, обусловленная взаимодействием тела с Землей; и потенциальная энергия упругодеформированного тела — это энергия, обусловленная взаимодействием частей тела между собой.

что это такое в физике, чему равна, как меняется

Что такое полная механическая энергия тела 

Энергия тела — физическая величина, которая показывает работу, совершаемую рассматриваемым телом в течение любого, в том числе неограниченного периода времени.

Объект, который совершает положительную работу, расходует частично энергию. В случае, когда положительную работу совершают над телом, его энергия возрастает. Если рассматривается отрицательная работа, то эффект будет противоположным. Таким образом, энергия выражается через физическую величину, характеризующую способность тела или системы взаимодействующих объектов совершать работу. Единицей измерения энергии в СИ является Джоуль (Дж).

Кинетическая энергия — это энергия тел, находящихся в движении.

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

В качестве движущихся тел рассматриваются не только перемещающиеся тела, но и объекты, которые вращаются. Кинетическая энергия возрастает по мере увеличения массы тела и скорости, с которой оно движется, то есть перемещается, либо вращается в пространстве. Кинетическая энергия определяется телом, по отношению к которому проводят измерения скорости рассматриваемого объекта. {2}}{2}\)

Потенциальная энергия — энергия тел или их частей, которые взаимодействуют друг с другом.

Потенциальная энергия тел отличается в зависимости от силы, которая на них воздействует:

  • сила тяжести;
  • сила упругости;
  • архимедова сила.

Любая потенциальная энергия определяется силой взаимодействия и расстоянием между взаимодействующими телами или их частями. Для расчета потенциальной энергии выбирают какой-то условный нулевой уровень. В качестве примера потенциальной энергии можно рассмотреть энергию, которой будет обладать груз, поднятый на определенную высоту над поверхностью Земли, или сжатая пружина. Потенциальная энергия рассчитывается по формуле:

\(E_{p}=mgh\)

Энергия может трансформироваться из одного вида в другой. Так кинетическая энергия объекта может преобразоваться в его потенциальную энергию, и наоборот.

Механическая энергия тела — это сумма его кинетической и потенциальной энергий.

Механическая энергия любого тела определяется несколькими факторами:

  1. Объект, относительно которого выполняют измерение скорости рассматриваемого тела.
  2. Условные нулевые уровни, присущие всем разновидностям имеющихся у тела потенциальных энергий.

Данная величина является одной из основных характеристик тела. С помощью механической энергии определяют способность тела или системы объектов совершать работу по причине изменений скорости тела, либо взаимного положения тел, находящихся во взаимодействии.

Закон изменения и сохранения полной механической энергии

Закон сохранения и превращения энергии: энергия не может возникать ниоткуда, либо исчезать бесследно. Можно лишь наблюдать переход одного вида энергии в другой, либо от одного тела к другому.

Закон сохранения механической энергии: когда тела системы испытывают на себе воздействие силы тяжести или силы упругости, сумма кинетической и потенциальной энергии не будет изменяться, таким образом, механическая энергия сохраняется.

Изменение механической энергии системы тел определяется, как сумма работы внешних по отношению к системе тел и работы внутренних сил трения и сопротивления. Формула для расчета имеет следующий вид:

\(\Delta W\;=\;Aвнешн\;+\;Адиссип\)

В случае замкнутой системы тел ее полная механическая энергия будет изменена только в том случае, когда совершается работа внутренних диссипативных сил системы таких, как сила трения:

Aвнешн = 0, то ΔW = Адиссип

Когда рассматривают консервативную систему тел, то есть при отсутствии сил трения и сопротивления, полная механическая энергия системы тел изменяется при работе внешних, относительно системы тел, сил:

\(Атр = 0\)

\(ΔW = Aвнешн\)

Чему равна полная энергия, как изменяется по времени

Полная механическая энергия тела определяется суммой его кинетической и потенциальной энергии. Определение полной механической энергии справедливо в случае действия закона сохранения энергии, и ее постоянном значении.

В ситуации, когда тело движется без влияния внешних сил, включая отсутствие взаимодействия с другими телами, силы трения и силы сопротивления, полная механическая энергия тела не меняется со временем. С помощью формулы это утверждение можно записать следующим образом:

\(Епот\;+\;Екин\;=\;const\)

Примечание

В реальном мире нельзя смоделировать таких идеальных ситуаций, в условиях которых объект полностью сохраняет свою энергию. Причиной этому является постоянное взаимодействие тела с другими телами, к примеру с молекулами воздуха или сопротивлением воздуха.

В случаях, когда сила сопротивления минимальна, и поступательное или другое движение наблюдают в относительно короткое время, подобную систему можно принять за теоретически идеальную. Как правило, закон сохранения полной механической энергии справедлив для тела, совершающего свободное падение, при вертикальном подбрасывании объекта или в случае колебательного движения тела такого, как маятник.

К примеру, во время вертикального подбрасывания тела наблюдают сохранение его полной механической энергии. Кинетическая энергия объекта при этом трансформируется в потенциальную, и наоборот. Амплитуда изменений энергий представлена на графике.

В зависимости от точки нахождения тела энергия будет рассчитываться следующим образом:

  • самая верхняя точка при \(h = max\), \(Eпот = mgh\), \(Eкин = 0\), \(Eполная = mgh\);
  • средняя точка при \(h = средняя\), \(Eпот = mgh\), \(Eкин = mv2/2\), \(Eполная = mgh + mv2/2\);
  • самая нижняя точка при \(h = 0\), \(Eпот = 0\), \(Eкин = mv2/2\), \(Eполная = mv2/2\).

В начале пути тело обладает кинетической энергией, которая будет равна его потенциальной энергии в верхней точке траектории движения. Исходя из этого, можно использовать еще несколько полезных формул. При известном значении максимальной высоты, на которую поднимется тело, максимальная скорость движения будет определена следующим образом:

\(v_{max}=\sqrt{2gh_{max}}\)

При известном значении максимальной скорости, с которой движется тело, можно рассчитать максимальную высоту подъема тела, брошенного вверх. {2}_{max}}{2g}\)

Импульс и энергия – Гиперучебник по физике

Обсуждение

общая информация

два объекта (1 и 2), скорости до и после (непростые и простые)

сохранение импульса

м 1 V 1 + м 2 V 2 = м 1 V V 1 + м 2 V 2

«сохранение кинетической энергии» — не закон, а просто констатация возможности

½ M 1 V V 1 2 + ½ м 2 2 2 2 = ½ м 1 V 1 2  + ½ м 2 v 2 2

Найдите скорости после столкновения.(Это болезненный процесс.) Есть две пары решений.

v 1  =  ( м 1 м 2 ) V 1 + 2 м 2 V 2
м 1  +  м 2
v 2  =  ( м 2 м 1 ) v 2 + 2 м 1 v 1
м 1  +  м 2

или

Вторая пара решений говорит, что объекты продолжают двигаться со своей первоначальной скоростью, что означает, что они никогда не сталкивались.

Попробуйте что-нибудь. Вычтите два других ответа.

v 1  −  v 2  = 
( м 1 м 2 ) V 1 + 2 м 2 V 2
м 1  +  м 2
( м 2 м 1 ) V ) + 2 м 1 V 1
м 1  +  м 2
v 1  −  v 2  =  M 1 V V 1 M 2 V 1 + 2 M 2 V 2 2 м 2 г. 2 + м 1 V 2 – 2 м 1 V 1
м 1  +  м 2
v 1  −  v 2  =  – М 2 V 1 + м 2 V 2 + м 1 V 2 M 1 V 1
м 1  +  м 2
v 1  −  v 2  =  V 2 ( м 1 + м 2 ) – v 1 ( м 1 + м 2 )
м 1  +  м 2
V V 1 v 2 = v 2 v 1  
 
1 =  v 1  −  v 2
v 2  −  v 1

Интересно.

столкновения

типов столкновений.

Энергия при столкновениях
к.о.р. тип общая
кинетическая энергия
комментариев
0 абсолютно неэластичный уменьшается до минимума объектов слипаются
>0> неэластичный уменьшается на любую величину все столкновения макроскопических тел, высокоэнергетические столкновения субатомных частиц
≈1≈ частично эластичный, почти эластичный почти законсервированный шары для бильярда, шары для боулинга, стальные подшипники и другие предметы из упругих материалов
1 эластичный абсолютно законсервированный низкоэнергетические столкновения между атомами, молекулами, субатомными частицами
>1> суперэластик увеличивает искусственные столкновения между объектами, которые высвобождают потенциальную энергию при контакте, вымышленные сверхэластичные материалы, такие как флаббер

реституция

коэффициент реституции

COR  =  v 1  −  v 2
v 2  −  v 1

если один из объектов не двигается (например, мяч отскакивает от пола), то…

Что такое энергия?

Любой учебник по физике скажет вам, что энергия равна способности совершать работу . Затем обычно объясняют, что «работа» — это действие , перемещающее что-то против силы . Но не является ли это определение неудовлетворительным? Это немного похоже на платоновское определение человека как «бесперого двуногого» — в рассуждениях трудно найти дыры, но вы не можете не чувствовать, что чего-то не хватает.

Так что же такое энергия?

Причина, по которой его так трудно определить, заключается в том, что это абстрактное понятие. В физике понятие «энергия» на самом деле является своего рода стенографией, инструментом, помогающим сбалансировать книги.Он всегда сохраняется (или преобразуется в массу), поэтому невероятно полезен при обработке результатов любого физического или химического процесса.

Не существует физической «сущности» энергии и нет такой вещи, как «чистая энергия». Оно всегда чем-то переносится, обычно в форме движения.

Классический пример кинетической энергии — бильярдный шар, катящийся по столу. Чем тяжелее мяч, тем быстрее он движется, тем больше энергии несет. Другими словами, тем больнее будет, если он соскочит со стола и приземлится на ваш мизинец.

Другая форма кинетической энергии известна как тепло. Температура чего-либо — это прямое измерение того, насколько быстро движутся атомы внутри него. В горячей чашке кофе молекулы воды быстро мчатся, замедляясь по мере того, как чашка остывает.

Бросьте в огонь железный брусок, и его атомы тоже начнут двигаться быстрее, хотя в этом случае атомы связаны в определенном положении, и поэтому движение представляет собой форму покачивающейся вибрации.

Иногда объект тянет или толкает в определенном направлении, но его движение останавливается какой-то другой силой.В этом случае говорят, что объект обладает потенциальной энергией — возможностью двигаться.

Получайте обновления научных статей прямо на свой почтовый ящик.

Это немного похоже на то, как водитель гоночного автомобиля нажимает на педаль газа с включенным ручным тормозом — ничего особенного не происходит, пока она не отпустит тормоз.

Стакан, стоящий на столе, опускается под действием силы тяжести. Но любое движение останавливает гораздо более мощная сила — электрическое отталкивание атомов в столе.Но если столкнуть стакан со стола, он упадет.

Как насчет химической, электрической или ядерной энергии?

Это немного сложнее, но в конечном счете все эти формы энергии также включают тип движения или потенциал движения.

Например, много энергии заперто, как спиральная пружина, внутри атомных ядер. Это может быть высвобождено, когда ядро ​​урана расщепляется на две части. Обе половинки заряжены положительно, поэтому сразу после разделения они электрически отталкиваются друг от друга и разлетаются.Таким образом, потенциальная энергия ядра превращается в кинетическую энергию.

Как сказал русский физик Лев Окунь: «Чем фундаментальнее физическое понятие, тем труднее определить его словами». Что касается энергии, то лучшее, что мы можем сделать, это сказать, что это способность вызывать движение.

И это должно подойти нам, бедным двуногим без перьев.

Связанное чтение: Энергия термоядерного синтеза в дюймах по направлению к воспламенению

Обзор энергии Рона Куртуса

SfC Главная > Физика > Энергия >

Рон Куртус

Энергия — свойство материи, связанное с движением.

Объект обладает кинетической энергией, если он движется. Если есть какие-то ограниченные или сдерживаемые силы, препятствующие движению объекта, говорят, что объект обладает потенциальной энергией. Существуют различные подмножества или формы как кинетической, так и потенциальной энергии. таких как тепловая, электрическая, химическая и ядерная энергия.

Возможные вопросы:

  • Что такое кинетическая энергия?
  • Что такое потенциальная энергия?
  • Что такое подмножества кинетической и потенциальной энергии?

Этот урок ответит на эти вопросы. Полезный инструмент: Преобразование единиц измерения



Кинетическая энергия

Стандартное определение энергии в учебниках — это «способность выполнять работу». К сожалению, это определение на самом деле не дает хорошей картины того, что такое энергия. Обычно мы думаем об объекте, имеющем энергию, как о движущемся. Энергия движущегося объекта называется кинетической энергией и обозначается аббревиатурой KE .

Свойства кинетической энергии заключаются в том, что чем больше масса движущегося объекта, тем больше будет его энергия.Кроме того, чем быстрее он движется, тем больше его энергия. Эта энергия пропорциональна квадрату скорости.

Формула расчета кинетической энергии объекта

КЭ = ½ мВ²

где:

  • м масса объекта
  • v – это его скорость скорости, а – скорость в квадрате или v умножить на v
  • ½ mv² равно половине м раз

Обратите внимание, что скорость объекта должна быть намного меньше скорости света. Когда скорость объекта, такого как атомная частица, приближается к скорости света ( c ), его кинетическая энергия приближается к E = mc² , согласно теории относительности.

Потенциальная энергия

Бывают ситуации, когда объект может начать движение и набрать кинетическую энергию. Часто на объект действуют силы, но этих сил еще недостаточно для перемещения объекта.

Потенциал из-за гравитации

Если вы держите объект на расстоянии от пола, он может начать двигаться, как только вы его отпустите.Сила гравитации притягивает объект, сообщая ему потенциальную энергию. Уравнение

ЧЭ = мгч

где:

  • PE потенциальная энергия
  • м его масса
  • г ускорение свободного падения (32 фут/с² или 9,8 м/с²)
  • мг вес объекта ( м умножить на г )
  • h высота объекта от пола или земли

PE становится KE

Если вы уроните объект, его потенциальная энергия станет кинетической энергией движения ( PE = KE ).

Так как PE = mgh и KE = ½ mv² , то:

мгч = ½ мв²

Вы можете определить скорость, с которой он будет двигаться после падения с высоты ч , решив уравнение для v :

v² = 2 гх

Возьмите квадратный корень из обеих частей уравнения:

v = SQRT(2gh) или v = √(2gh)

Обратите внимание, что масса m исключается из уравнения, а это означает, что все объекты падают с одинаковой скоростью.

Таким образом, если ч = 1 фут, а поскольку г = 32 фут/с², то v² = 2*32*1 = 64 и v = √64 = 8 фут/с.

Прочие виды полиэтилена

Другие примеры потенциальной энергии, которая может вызвать движение, включают взрывоопасные химические соединения и спиральную пружину, готовую к срабатыванию. Растянутая резинка тоже обладает потенциальной энергией.

Для химических взрывчатых веществ трудно рассчитать потенциальную энергию без экспериментов, чтобы увидеть, сколько кинетической энергии высвобождается при взрыве.

При сжатой пружине есть расчеты, позволяющие определить ее силу и потенциальную энергию.

Другие формы или виды энергии

Часто вы будете слышать о других видах энергии, таких как тепло и электричество. В действительности они также являются формами потенциальной и кинетической энергии.

Тепловая энергия

Тепло – это движение молекул. Это сумма кинетической энергии молекул объекта. Во многих учебниках по физике тепло рассматривается как некое вещество, а тепловая энергия — как нечто независимое от кинетической энергии.На наших уроках это всего лишь одно из подмножеств кинетической энергии.

Электроэнергия

Электрическая энергия – это движение электронов. Это кинетическая энергия. Напряжение в электрической цепи — это потенциальная энергия, которая может привести в движение электроны. Электрические силы вызывают движение.

Химическая энергия

Химическая энергия является потенциальной энергией до тех пор, пока химическая реакция не приведет в движение атомы и молекулы. Тепловая энергия (КЭ) часто является результатом химической реакции.

Световая энергия

Свет – это движение волн и/или световых частиц (фотонов). Обычно он образуется, когда атомы получают так много кинетической энергии от нагревания, что испускают излучение. Часто это происходит из-за того, что электроны прыгают по орбитам и испускают движущиеся фотоны.

Атомная энергия

Некоторые элементы обладают потенциальной ядерной энергией, так что на их ядро ​​действуют внутренние силы. Когда эта потенциальная энергия высвобождается, результатом является кинетическая энергия в виде быстро движущихся частиц, тепла и излучения.

Резюме

Энергия иногда определяется как способность выполнять работу. Объект обладает кинетической энергией, если он движется. Если есть какие-то ограниченные или сдерживаемые силы, препятствующие движению объекта, говорят, что объект обладает потенциальной энергией. Существуют различные подмножества или формы как кинетической, так и потенциальной энергии, такие как тепловая, химическая, электрическая, световая и ядерная энергия.


Будьте энергичны в своем стремлении к совершенству


Ресурсы и ссылки

Полномочия Рона Куртуса

веб-сайтов

Ресурсы по физике

Книги

(Примечание: Школа чемпионов может получать комиссионные за покупку книг)

Лучшие книги по физике энергии


Поделиться этой страницей

Нажмите кнопку, чтобы добавить эту страницу в закладки или поделиться ею через Twitter, Facebook, электронную почту или другие службы:


Студенты и исследователи

Веб-адрес этой страницы:
www.school-for-champions.com/science/
энергия. htm

Разместите его в качестве ссылки на своем веб-сайте или в качестве ссылки в своем отчете, документе или диссертации.

Copyright © Ограничения


Где ты сейчас?

Школа чемпионов

Темы по физике

Обзор энергии

Журнал физики высоких энергий

Journal of High Energy Physics (JHEP) — это журнал с открытым доступом, APC полностью охватывают SCOAP 3 (scoap3.org) и под лицензией CC BY 4.0. JHEP принадлежит Международной школе перспективных исследований (SISSA — Триест, Италия) и публикуется Springer. Цель ведения журнала состоит в том, чтобы извлечь выгоду из инновационных преимуществ новых средств массовой информации: быстроты коммуникации, широкого распространения и возможности вести и распространять журнал исключительно с помощью электронных средств. Внедряя автоматизированную и электронную систему рецензирования, JHEP дополняет существующую систему распространения препринтов через онлайн-сервис arXiv, который так успешно заменил обычную систему.

Подача статей и индивидуальное слепое рецензирование осуществляется редакцией JHEP в SISSA Medialab. Пожалуйста, посетите jhep.sissa.it, чтобы отправить статью для публикации.

JHEP организован следующим образом:

  • Научный директор
  • Вице-директор (Martin Beneke)
  • Консультативный совет
  • Редакция
  • редакция
  • Научный директор отвечает за надзор за руководством редакции и контроль качества журнала.

    Члены Консультативного совета периодически просматривают журнал и дают рекомендации по его научной политике. Научный директор консультируется с Консультативным советом в случае серьезных разногласий между авторами и редакторами.

    Редакционная коллегия — самый важный актив JHEP. Редакторы отвечают и несут полную ответственность за рецензирование материалов. Они могут сами оценивать препринты или отправлять их одному или нескольким рецензентам и принимать окончательное решение о том, публиковать их или нет.JHEP имеет большую редакционную коллегию, чтобы обеспечить компетентное освещение всех областей, обозначенных ключевыми словами, и, таким образом, избежать общих решений или неправильного выбора рефери.

    Редакция осуществляет надзор за функционированием журнала во взаимодействии с Редколлегией. SISSA Medialab, в которой находится редакция, использует программную систему, которая автоматизирует редакционный процесс.
    Редакция ежедневно следит за журналом, оказывает помощь авторам, редакторам и рецензентам и принимает меры в тесном сотрудничестве с научным директором в случае возникновения каких-либо проблем или задержек.

    Информация журнала

    Заместитель директора
    Издательская модель
    Открытый доступ. Как публиковаться у нас

    Показатели журнала

    5.810 (2020)
    Импакт-фактор
    4,977 (2020)
    Пятилетний импакт-фактор

    Общества, партнеры и объединения

    Энергия и работа – Физика средней школы

    Пояснение:

    Мы должны учитывать несколько моментов во время прыжка Майка с моста. Первый момент — когда он находится на вершине моста, когда собирается прыгнуть. Вторая точка — под мостом, как раз тогда, когда банджи-шнур начнет растягиваться. Третья — это точка внизу шнура, когда он полностью растянут.

     

    Для начала рассмотрим первые две точки, когда он прыгает с моста и когда он достигает под мостом. Для этого первого рассмотрения я предположу, что наша нулевая точка отсчета находится ниже моста.

     

    На вершине моста у Майка есть гравитационная потенциальная энергия. позже вся эта потенциальная энергия была преобразована в кинетическую энергию. По закону сохранения энергии мы можем приравнять эти две вещи друг к другу.

     

     

     

    Поскольку масса находится в обеих частях уравнения, ее можно сократить, и у нас останется

    .

     

     

    Теперь мы можем определить конечную скорость непосредственно перед растяжением шнура.

     

     

     

     

     

     

     

    Теперь рассмотрим две новые точки: точку, в которой шнур начинает растягиваться, и точку внизу, когда весь шнур вытягивается. В этом случае мы будем рассматривать самую нижнюю точку как нашу нулевую точку отсчета.

     

    Вверху у Майка есть кинетическая энергия и гравитационная потенциальная энергия, когда он движется над нашей контрольной точкой.Внизу вся эта энергия преобразуется в упругую потенциальную энергию. По закону сохранения энергии мы можем приравнять эти две вещи друг к другу.

     

     

     

     

     

    Шнур растянется на то же расстояние, на которое Майк начинает над землей, поэтому мы можем обменять наше значение x на h, чтобы все было похоже.

     

     

     

     

    Теперь мы можем ввести наши значения и начать вычислять h. Мы будем использовать нашу скорость из первой части как скорость, которая есть у Майка.

     

     

     

     

     

    У нас осталось квадратное уравнение. Итак, нам нужно будет свести все в одну сторону и использовать нашу квадратичную формулу для решения этой проблемы.

     

     

     

     

    Квадратичная формула равна

    .

     

     

     

     

     

    Два ответа, которые мы получаем для этого:  и .Разумный ответ. Это расстояние, на которое протянется шнур.

     

    Чтобы найти общее расстояние под мостом, нам нужно прибавить величину, на которую растянулся канат, к , который потребовался, чтобы упасть до того, как канат растянулся.

     

     

    Майк остановится ниже моста.

     

     

    Мы находимся на заре эры физики.

    Энергия с поставками

    В 2022 году достижения в инженерных и вычислительных возможностях значительно улучшат экономику чистой энергии, сделав ее жизнеспособным вариантом для всех.Поскольку основной источник энергии переходит от одной отрасли науки к другой, мы вступим в эпоху, которая заметно улучшит общество — а также устранит излишества предыдущей эпохи — благодаря простой математике спроса и предложения. Короче говоря, физика нас спасет.

    Энергия — источник жизненной силы цивилизации. 10 000-летний поиск человечеством его всегда определялся двумя важными факторами, которые до сих пор остаются в силе: он должен быть дешевым, и нам всегда будет нужно его больше.

    Вначале мы получали всю нашу энергию от биологии — от рабочей силы, растений и продуктов, которые мы потребляли.По мере того, как наши потребности в энергии увеличивались, мы стремились использовать другие источники, по-прежнему используя биологию. Мы использовали источник энергии, обеспечиваемый мышцами животных, запрягая быка, лошадь, верблюда и многих других. Давайте назовем это Эпохой энергии, поставляемой биологией.

    Чуть более века назад все резко изменилось. Из-за постоянно растущей потребности в энергии мы переключились с биологии на химию. Чтобы создать энергию, которая нам срочно требовалась, мы
    начали сжигать вещи. Назовем это эпохой энергии, поставляемой химией.

    Благодаря этому новому подходу человечество стало свидетелем огромного взрыва мирового ВВП на душу населения. Этот новый способ получения энергии помог создать современный индустриальный мир, каким мы его знаем.

    Как мы все теперь знаем, мир изменился и другим, более серьезным образом. Проблема с получением энергии из химии заключалась в том, что результаты всего этого сжигания попадали в воздух, разрушая атмосферу и увеличивая угрозу изменения климата, с которой мы сталкиваемся сегодня.

    Всего несколько лет назад мы вступили в другую эпоху, когда физика теперь готова заменить химию в качестве наиболее экономически практичного источника энергии. Физика, используя возобновляемую энергию Солнца и ветра, впервые предоставила доступ к огромному источнику энергии, который дешевле, чем энергия, обеспечиваемая химией, и при этом не наносит вреда атмосфере. Мы находимся на заре Эры Физической Энергии.

    Благодаря физике и нашим инженерным и вычислительным навыкам мы преобразовываем солнечный свет в полезную энергию гораздо дешевле, чем все, что мы можем сжечь. Принимая во внимание физику, мы также решаем проблемы, связанные с этими источниками энергии, такими как прерывистость, используя при этом их огромные преимущества — прежде всего, их изобилие.Солнце дает в 10 000 раз больше энергии, чем необходимо всему человечеству, и, в отличие от ископаемого топлива, солнечная энергия становится дешевле по мере увеличения производства. При каждом удвоении производства солнечной энергии затраты снижаются более чем на 20 процентов.

    Физика элементарных частиц/Физика высоких энергий | Области исследований | Исследования | Кафедра физики

    Экспериментальная программа

    Какие основные строительные блоки составляют вселенную, в которой мы живем? Каким образом эти строительные блоки могут взаимодействовать друг с другом? Космологические наблюдения показывают, что с помощью известных частиц и взаимодействий мы можем объяснить только примерно 5 % энергетического содержания Вселенной; что составляет остальное? Почему Вселенная состоит только из материи и почти без антиматерии? Почему самая массивная известная частица, топ-кварк, имеет массу, сравнимую с массой ядра золота, а нейтрино имеют такие малые массы, что мы еще не смогли их измерить? Экспериментальная программа по физике высоких энергий (HEP) в Нотр-Даме (Северная Дакота) сосредоточена на ответах на эти и другие подобные им вопросы с использованием детекторов, работающих как на установках с передовой энергией, так и передовых по интенсивности. Мы проектируем, строим и эксплуатируем детекторы для этих экспериментов, а также разрабатываем программное обеспечение и вычислительные средства для анализа данных. Мы применяем сложные методы анализа данных для извлечения слабых сигналов из сложного фона. В конечном счете мы надеемся обнаружить доказательства новых частиц или взаимодействий, чтобы работать над разгадкой тайны того, какие частицы и взаимодействия составляют остальные 95% Вселенной, в которой мы живем.

    Экспериментальная группа ND HEP имеет долгую историю внесения важного вклада в ведущие эксперименты HEP по всему миру, включая многочисленные эксперименты с фиксированной целью, эксперимент D0 на коллайдере Tevatron в Фермилабе и эксперимент Babar в SLAC.В настоящее время наша программа сосредоточена на эксперименте CMS на LHC, а также на нескольких экспериментах с нейтрино.

    Компактный мюонный соленоид (CMS):  Детектор CMS регистрирует протон-протонные столкновения, генерируемые Большим адронным коллайдером (БАК), расположенным в лаборатории CERN в Женеве, Швейцария. БАК — самый мощный в мире коллайдер частиц, позволяющий ученым со всего мира исследовать явления в самых высоких доступных масштабах энергии — то, что мы называем «энергетическим фронтиром» физики элементарных частиц.Мы сыграли ведущую роль в создании электромагнитного калориметра (ECAL) и адронного калориметра (HCAL) и продолжаем вносить важный вклад в работу и модернизацию ECAL, HCAL и триггерных систем. Мы также вносим свой вклад в новые проекты детекторов в рамках этапа II обновления CMS. Этим усилиям, а также исследованиям и разработкам в области детекторов способствуют лаборатории в кампусе и за его пределами, в том числе лаборатория разработки детекторов площадью 7000 кв. футов, примыкающая к кампусу и рабочим зонам в ЦЕРНе.Технический персонал из трех инженеров-электриков и четырех техников помогает преподавателям и аспирантам в этой работе. Мы также играем важную роль в разработке программного обеспечения для моделирования детектора и анализа данных. Мы управляем одним из крупнейших вычислительных центров уровня 3 в мире и в партнерстве с Центром исследовательских вычислений ND предоставляем возможность членам группы ND получать всплески чрезвычайно крупномасштабных вычислительных ресурсов (порядка 20 000 ЦП). ядер) для анализа данных CMS.Исследователи Северного Севера внесли ключевой вклад в открытие бозона Хиггса и продолжают проводить важные физические исследования, такие как поиск суперсимметрии и поиск новых явлений, связанных с топ-кварками или бозонами Хиггса.

    Нейтринные эксперименты:  НД является членом нескольких коллабораций, занимающихся исследованиями физики нейтрино. Все это сотрудничество направлено на лучшее понимание нейтринных осцилляций, загадочного процесса, при котором аромат (электронный, мюонный или тау) нейтрино меняется по мере его путешествия в космосе.Эксперимент Double Chooz находится в стадии завершения после успешного измерения критического параметра, определяющего осцилляции нейтрино. Эксперимент Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), который начнется примерно в 2026 году, расширит наше понимание нейтринных осцилляций путем поиска доказательств того, что нейтрино и антинейтрино колеблются по-разному. Если они это сделают, это может помочь прояснить, почему мы живем во Вселенной, состоящей из материи, а не равных частей материи и антиматерии. Эксперимент IceCube, расположенный на Южном полюсе, направлен на обнаружение нейтрино, летящих на Землю от некоторых из самых экстремальных известных астрофизических явлений, таких как сверхновые звезды, нейтронные звезды или черные дыры.ND также вносит свой вклад в несколько экспериментов, направленных на повышение точности измерений колебаний на основе ускорителя. Эксперимент MINERvA в Фермилабе проводит точные измерения нейтрино-ядерных взаимодействий, а эксперименты EMPHATIC и NA61 измеряют ядерные взаимодействия, происходящие в нейтринных пучках ускорителей, чтобы лучше понять количество нейтрино в этих пучках и их энергетические спектры. .

    В дополнение к этим текущим научным экспериментам, ND играет активную роль в исследованиях и разработках как детекторов, так и вычислительных технологий для будущих экспериментов HEP.

    Мы также являемся одними из основателей образовательной и информационно-просветительской программы QuarkNet, созданной для того, чтобы донести передовой опыт физики элементарных частиц до учителей старших классов. В дополнение к нашему местному центру QuarkNet мы продолжаем руководить национальной программой QuarkNet, состоящей из 55 центров в университетах и ​​лабораториях по всей стране. Каждый год мы напрямую обращаемся к 400-500 учителям, а через них – примерно к 60 000 старшеклассников по всей стране.

    Теоретическая программа

    Теоретическая группа физики высоких энергий в Нотр-Даме работает над широким кругом тем, включая построение моделей за пределами Стандартной модели, феноменологию коллайдера, а также тестирование и применение моделей физики элементарных частиц в области астрофизики и космологии.

    Исторически группа сыграла важную роль в расширении нашего понимания СР-нарушения, в частности, посредством изучения системы b-кварков. Сегодня, в эпоху БАК, группа продолжает работать на переднем крае феноменологии в стандартной модели и за ее пределами, включая поиски и проверку суперсимметрии, дополнительных измерений пространства-времени и сильной динамики, а также модельно-независимые исследования. подходы к новой физике, основанные на методах теории эффективного поля. Исследования мотивированы как теоретическими факторами (такими как проблема иерархии), так и самыми последними результатами, полученными на БАК.Тщательные феноменологические исследования физики коллайдера LHC позволяют группе связать абстрактную теорию с наблюдаемыми сигнатурами и сигналами. По всем этим темам часто и постоянно ведутся дискуссии и сотрудничество с нашими коллегами-экспериментаторами, что приносит пользу обеим группам.

    Наконец, связи с астрофизикой (особенно в исследованиях темной материи) и космологией (включая сигнатуры новой физики в космическом микроволновом фоне) глубоки. Недавняя и текущая работа включает в себя неканонические подходы к созданию темной материи в ранней Вселенной, использование темных секторов для ослабления хаббловского напряжения, ограничения на первичные черные дыры и поиск способов проверки реалистичных моделей темной материи на БАК.

    YouTube: Как физики Нотр-Дама помогают нам понять нашу вселенную (написано и произведено Доном Линкольном)

    .

Оставить комментарий