Кинетическая энергия – формула, единица измерения, определение и примеры кратко
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 63.
Обновлено 3 Марта, 2021
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 63.
Обновлено 3 Марта, 2021
Если система может совершить работу, то говорят, что она обладает энергией. Энергия — важная характеристика системы. Она не может исчезать и появляться, но имеет несколько видов и может переходить из одного вида в другой. Одним из таких видов является кинетическая энергия. В статье дадим определение этого понятия, выведем формулу кинетической энергии.
Формула кинетической энергии
Совершение работы в механике означает, что некоторая сила действует на материальную точку и перемещает ее. Согласно второму закону Ньютона материальная точка при этом получает некоторое ускорение, и ее скорость меняется.
Рис. 1. Второй закон Ньютона.Из кинематики известно, что если точка на пути $S$ двигалась с ускорением $a$, то ее начальная скорость $v_0$ и конечная $v$ связаны следующим соотношением:
$$v^2=v_0^2+2aS$$
Поскольку на всём пути ускорение материальной точки постоянно, то и сила, действующая на точку, также постоянна.
2\over 2}$$
Кинетическая энергия тела имеет те же единицы измерения, что и работа, — Джоуль (Дж).
Рис. 2. Кинетическая энергия.Свойства кинетической энергии
Если выписать в таблицу значения кинетической энергии движущейся материальной точки в разные моменты и работу, совершенную силой при этом, можно доказать теорему об изменении кинетической энергии.
Изменение кинетической энергии материальной точки за некоторое время равно работе, совершенной за это время силой, действующей на точку.
Таким образом, если работа силы положительна, то кинетическая энергия тела увеличивается, а если отрицательна — то уменьшается. Энергия, которой обладает движущаяся материальная точка, равна работе, которую надо совершить, чтобы разогнать ее от нуля до имеющейся скорости.
Важным свойством кинетической энергии является ее относительность. Действительно, скорость — величина, зависящая от системы отсчета. Следовательно, можно сделать вывод, что и кинетическая энергия в разных системах отсчета будет различной.
К примеру, для внешнего наблюдателя движущийся автомобиль имеет большую кинетическую энергию, а для пассажира этого автомобиля его энергия равна нулю.
Если в системе имеется несколько независимых движущихся тел, то полная кинетическая энергия системы равна сумме кинетических энергий составляющих.
Рис. 3. Кинетическая энергия системы тел.Еще одним свойством кинетической энергии является независимость от ее причины и источника. Движущееся тело будет обладать равной кинетической энергией независимо от того, что послужило причиной движения — то ли гравитационные силы, то ли силы упругости пружины, то ли внутренняя энергия топлива. Кинетическая энергия тела всегда будет зависеть только от его массы и скорости.
Что мы узнали?
Кинетическая энергия материальной точки — это величина, равная половине произведения массы точки на квадрат ее скорости. Изменение кинетической энергии материальной точки за некоторое время равно работе, совершенной за это время силой, действующей на точку.
Тест по теме
Доска почёта
Чтобы попасть сюда – пройдите тест.
Карим Шаяхметов
10/10
Оценка доклада
4.4
Средняя оценка: 4.4
Всего получено оценок: 63.
А какая ваша оценка?
что это такое, простое объяснение, формулы, единица измерения
Электроэнергия — это физический термин, отражающий способность электрического тока совершать механическую работу, выделять тепло или излучать свет.
В этой статье мы рассмотрим в целом это понятие. Вы узнаете, что такое электрическая энергия и важные формулы, которые её описывают.
Электроэнергия простыми словами
Заряжаете ли вы свой смартфон или просматриваете веб-страницы, электрическая энергия является неотъемлемой частью вашей повседневной жизни. Этот термин состоит из двух компонентов — «электрический» и «энергия». Термин «энергия» может иметь различные значения.
В этой статье вы можете думать о ней как о потенциальной энергии. С помощью слова «электрический» вам дают понять, что здесь имеется в виду потенциальная энергия электрически заряженной частицы.
Подобно тому, как ваша потенциальная энергия увеличивается, когда вы поднимаетесь в гору, электрическая энергия положительной частицы увеличивается, когда она «карабкается» в электрическом поле. Электрическое поле оставляет электрический потенциал в каждой точке пространства (аналогично горному ландшафту, который имеет разную высоту в каждой точке). Под «подъемом вверх по электрическому полю» подразумевается, что положительная частица перемещается из точки с низким электрическим потенциалом в точку с более высоким электрическим потенциалом.
Формулы
Подобно потенциальной энергии в гравитационном поле, существует формула для электрической энергии заряда с величиной заряда q, который находится в месте с электрическим потенциалом U : Eпот, эл = q * U .
Приведенная формула отражает электрическую потенциальную энергию заряда q.
Но что происходит, когда течет электрический ток? Затем вы заменяете электрический заряд q в формуле для Epot на I * t, т.е. силу тока I, умноженную на время t. То есть вы получите формулу: Eпот, эл = I * t * U .
Конденсатор также может накапливать электрическую энергию. Формула для расчета накопленной энергии следующая: Ec = 0.5 * C * U2 , где C — емкость конденсатора.
Единица измерения электрической энергии
Поскольку электрическая энергия является одной из форм энергии, она имеет единицу измерения — джоуль, сокращенно [ Дж ]. Обозначается как Eпот, эл . Также электрическую энергию измеряют и в ватт-секундах [ Вт * сек ]. То есть 1 Дж = 1 Вт * сек.
Чтобы дать вам представление о том, сколько составляет 1 Дж электрической энергии, вот небольшой пример: для того чтобы светодиодная лампа мощностью 1 Вт горела в течение одной секунды, вам нужна электрическая энергия в 1 Дж.
Давайте кратко рассмотрим единицы измерения для этого примера. Ватт — это единица измерения мощности. Мощность P определяется как работа за единицу времени, т.е. P = W / t .
Таким образом, мощность также имеет единицу измерения джоуль в секунду: [ P ] = Дж / с .
Таким образом, умножение мощности на время дает единицу энергии: [ P ] * [ t ] =с * Дж / с = Дж .
Кратная единица 1 Вт — это 1 киловатт-час: 1 кВт * ч = 3,6 * 106 Вт * с = 3,6 * 106 Дж .
Единица измерения «Ватт» названа в честь шотландского изобретателя ДЖЕЙМСА УАТТА (1776-1819), единица «Джоуль» — в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля (1818-1889).
Что такое электрическая энергия?
В этом разделе мы подробнее рассмотрим электрическую энергию.
Распределения заряда
Представьте себе пустую комнату, поднося к ней один за другим электрические заряды. В результате у вас есть набор носителей заряда. Работа, которую вам пришлось проделать, теперь в какой-то мере содержится в этом наборе.
То, какого рода эта энергия, здесь не имеет значения. Гораздо важнее тот факт, что это накопление оставляет электрический потенциал U (r) в каждой точке пространства.
Что делает этот электрический потенциал? Если теперь вы хотите перенести другой заряд с количеством заряда q в точку r, вы должны совершить работу Wэл : Wэл = q * U (r) .
Если мы также предположим, что электрический потенциал в месте расположения контейнера равен нулю, то этот электрический заряд q содержит работу Wэл, которую вы совершили в форме потенциальной энергии. И именно эта потенциальная энергия называется электрической.
Аналогия с гравитацией
Давайте немного углубимся в аналогию с гравитацией. Чтобы рассчитать потенциальную энергию, когда вы находитесь на высоте h над землей, вы используете формулу: Eпот, г = m * g * h. В этой формуле m означает массу, а g — ускорения свободного падения. Чтобы сделать аналогию с электрической энергией более очевидной, объединим произведение g * h с обозначением Ug, т.
е. Ug = g * h .
Таким образом, потенциальная энергия равна: Eпот, г = m * Ug .
Давайте вкратце рассмотрим единицу измерения Ug. Единицей потенциальной энергии является джоуль, а единицей массы — килограмм. Таким образом, применяется [ Ug ] = Дж / кг .
Вы получите формулу для электрической энергии, если теперь замените m на электрический заряд q, а Ug на электрический потенциал U: Eпот, эл = q * U .
Давайте рассмотрим здесь также единицу измерения U. Электрическая энергия имеет единицу измерения джоуль, а q — единицу измерения кулон. Таким образом, [ U ] = Дж / Кл .
Рис. 1. Аналогия между электричеством и гравитациейТеперь вы понимаете аналогию между «электрическим падением» и гравитацией? Если нет, то, возможно, вам поможет следующая таблица:
| Тип | Потенциальная энергия | Единица измерения «Потенциала» |
| Гравитация | Eпот, г = m * Ug | [ Ug ] = Дж / кг |
| Электричество | Eпот, эл = q * U | [ U ] = Дж / Кл |
Однако у электричества есть особенность, которая не имеет аналогии с гравитацией: «масса» может быть только положительной, а электрический заряд может быть положительным или отрицательным.
Смартфон всегда ускоряется по направлению к земле, потому что гравитационный потенциал там ниже, чем на высоте h. Положительные электрические заряды ведут себя аналогично: они ускоряются от места с высоким электрическим потенциалом к месту с более низким электрическим потенциалом.
Итак, в отличие от «массы» и положительных электрических зарядов, отрицательные заряды движутся в направлении более высокого электрического потенциала.
Аккумуляторы
Представьте себе простую электрическую цепь: аккумулятор, подключен к лампочке. Как только электрическая цепь замыкается, электрическая энергия, содержащаяся в отрицательных зарядах на отрицательной клемме, преобразуется в кинетическую энергию — отрицательные заряды ускоряются. Проходя через лампочку, они сталкиваются с атомами нити накаливания. При этом отрицательные заряды отдают часть своей кинетической энергии атомам нити. Затем они приводятся в вибрацию, в результате чего нить накала нагревается.
Это нагревание приводит к испусканию света. И именно этот свет ваш глаз воспринимает как свечение лампочки.
Примечание: преобразование энергии аккумулятор-лампа-цепь:
Электрическая энергия отрицательных зарядов -> кинетическая энергия отрицательных зарядов -> кинетическая энергия атомов в нити накаливания -> излучение света.
Рис. 2. Пример простой схемы с аккумуляторомКак рассчитать кинетическую энергию объекта
Вы можете использовать физику для расчета кинетической энергии объекта. Когда вы начинаете толкать или тянуть неподвижный объект с постоянной силой, он начинает двигаться, если сила, которую вы прикладываете, больше, чем чистые силы сопротивления движению, такие как трение и гравитация. Если объект начнет двигаться с некоторой скоростью, он приобретет кинетическую энергию. Кинетическая энергия — это энергия, которой объект обладает вследствие своего движения. Энергия — способность выполнять работу.
Так как же рассчитать кинетическую энергию?
Сила, действующая на объект, который подвергается смещению, совершает работу над объектом.
Изменение кинетической энергии тела равно работе действующей на него чистой силы. Это очень важный принцип, называемый теорема о работе-энергии. После того, как вы узнали, как работа связана с кинетической энергией, вы готовы взглянуть на то, как кинетическая энергия связана со скоростью и массой объекта.
Уравнение для нахождения кинетической энергии, KE, , выглядит следующим образом, где м — масса, а v — скорость:
Используя немного математики, вы можете показать, что работа также равна (1/2) mv 2 . Скажем, например, что вы прикладываете силу к модели самолета, чтобы заставить ее лететь, и что самолет ускоряется. Вот уравнение для чистой силы:
F = мА
Работа, совершаемая самолетом, которая становится его кинетической энергией, равна следующему:
Суммарная сила F равна массе, умноженной на ускорение.
Вт = Fs = мсек
Предполагая постоянное ускорение, вы можете связать это уравнение с конечной и исходной скоростью объекта. Используйте уравнение
, где v f равно конечной скорости, а v i равно начальной скорости. Решение для дает вам
Если вы подставите это значение a в уравнение для работы, Вт = мсд, , вы получите следующее:
Если начальная скорость равна нулю, вы получите
Это работа, которую вы вкладываете в ускорение модели самолета, то есть в движение самолета, и эта работа становится кинетической энергией самолета,
Это всего лишь теорема о работе-энергии, сформулированная в виде уравнения.
Обычно вы используете уравнение кинетической энергии, чтобы найти кинетическую энергию объекта, когда вам известны его масса и скорость.
Скажем, например, что вы находитесь на стрельбище и стреляете в цель 10-граммовой пулей со скоростью 600 метров в секунду. Какова кинетическая энергия пули? Используя уравнение для нахождения кинетической энергии, вы просто подставляете числа, не забывая сначала преобразовать граммы в килограммы, чтобы сохранить постоянство системы единиц во всем уравнении:
Энергия пули составляет 1800 джоулей, что очень много для 10-граммовой пули.
Эта статья из книги:
- Физика I Для чайников,
Об авторе книги:
Доктор Стивен Хольцнер написал более 40 книг по физике и программированию. Он был редактором журнала PC Magazine и преподавал в Массачусетском технологическом институте и Корнелле. Он является автором титулов для чайников, в том числе
Доктор Хольцнер получил докторскую степень в Корнелле.Эту статью можно найти в категории:
- Физика,
Гравитационная потенциальная энергия
Гравитационная потенциальная энергия Гравитационная потенциальная энергия — это энергия, которой обладает объект из-за его положения в гравитационном поле. Наиболее часто потенциальная энергия гравитации используется для объектов вблизи поверхности Земли, где ускорение свободного падения можно считать постоянным и равным примерно 9.8 м/с | Индекс Энергетические концепции | ||
| Назад |
Общее выражение для гравитационной потенциальной энергии вытекает из закона всемирного тяготения и равно работе, совершаемой против силы тяжести для перемещения массы в данную точку пространства. Из-за обратной квадратичной природы силы тяжести сила стремится к нулю на больших расстояниях, и имеет смысл выбрать ноль потенциальной энергии гравитации на бесконечном расстоянии. В этом случае гравитационная потенциальная энергия вблизи планеты отрицательна, поскольку гравитация совершает положительную работу по мере приближения массы. Этот отрицательный потенциал указывает на «связанное состояние»; как только масса оказывается рядом с большим телом, она оказывается в ловушке до тех пор, пока что-то не сможет обеспечить достаточно энергии, чтобы позволить ей убежать. , где G — гравитационная постоянная, M — масса притягивающего тела, r — расстояние между их центрами. Это форма гравитационной потенциальной энергии, наиболее полезная для расчета скорости убегания от земного притяжения. | Индекс Энергетические концепции | ||
| Назад |
Из работы, совершаемой против силы тяжести при перемещении массы из бесконечности, где потенциальной энергии присваивается нулевое значение, выражение для потенциальной энергии гравитации равно .Это выражение полезно для расчета космической скорости, энергии для удаления с орбиты и т. д. Однако для объектов вблизи Земли ускорение свободного падения g можно считать приблизительно постоянным и выражение для потенциальной энергии относительно поверхности Земли становится , где h — высота над поверхностью, а g — поверхностное значение ускорения свободного падения. |
