FIZYKA – KLASA VII
Bardzo proszę o wydrukowanie i wklejenie lub przepisanie do zeszytu lekcji.
15.05.2020r.
Lekcja Temat: Energia potencjalna grawitacji i sprężystości
W materiałach poznamy pojęcie energii potencjalnej grawitacji i energii potencjalnej sprężystości.
Wiemy, że zjawiska zachodzą dzięki przemianom energii oraz, że istnieje wiele różnych jej form. Rozważmy dwie sytuacje. Wyobraźcie sobie, że napinamy łuk. Po czym zwalniamy cięciwę. Odkształcony łuk wraca do pierwotnego kształtu. Cięciwa naciska na strzałę pewną siłą i przesuwa ją, równocześnie ją rozpędzając i dalej strzała porusza się już dzięki swej bezwładności.
Kolejny przykład: kafar (ciężki młot) został podniesiony na pewną wysokość. Upuszczony spada i wbija w ziemię pal.
W każdym z tych przypadków została wykonana praca. Można powiedzieć, że ciało, które posiada energię, jak napięty łuk, czy uniesiony młot może wykonać pracę.
Zatem:
Energia określa zdolność ciała lub układu ciał do wykonania pracy.
Odkształcone ciało, np. napięty łuk lub ściśnięta sprężyna, powracające do pierwotnej postaci wykonuje pracę, dzięki energii potencjalnej sprężystości. Kafar wzniesiony na pewną wysokość ma energię potencjalna grawitacji (inaczej energię potencjalną ciężkości), a spadając i poruszając się z pewną prędkością), ma energię kinetyczną.
Na kafar wzniesiony na wysokość h działa siła ciężkości Fg = mg. Po zwolnieniu zaczepu siła ta nadaje kafarowi prędkość (zgodnie z II dynamiki po wpływem siły będzie on się poruszał ruchem jednostajnym przyspieszonym), zatem młot uzyskuje energię kinetyczną kosztem utraconej energii potencjalnej. Ta energia potencjalna jest równa pracy wykonanej przy podnoszeniu. Praca ta, jak już wiemy, jest równa iloczynowi siły F unoszącej kafar i wysokości h, na jaką go uniesiono:
W = F . h
Siła F jest równa co do wartości ciężarowi kafara:
F = m . g
Zatem jest tym większa, im większa jest masa młota.
Zarówno w przypadku wznoszenia kafara, jak i napinania łuku następuje zmiana ilości energii zmagazynowanej w ciele.
Im większa praca jest wykonana nad ciałem (lub układem ciał) tym większą energię to ciało (lub układ ciał) uzyskuje. Przyrost energii ciała jest równy wykonanej nad tym ciałem pracy, co można zapisać:
△E = W
Jednostką energii jest dżul (1J).
ENERGIĘ POTENCJALNĄ GRAWITACJI ma ciało podniesione na pewną wysokość h względem dowolnie wybranego poziomu zwanego poziomem zerowym, np.
poziomu podłogi lub powierzchni Ziemi.
Wzniesione ciało ma wtedy energię związaną z oddziaływaniem grawitacyjnym dwóch ciał: Ziemi i wzniesionego ciała. Mówi się wówczas o energii potencjalnej grawitacji (energii potencjalnej ciężkości).
Wiemy, że energia potencjalna ciężkości zależy od masy ciała i wysokości na jaką zostało wzniesione. Możemy to
sprawdzić wykonując doświadczenie:
Piłeczki wbijają się na różną głębokość. Przy tej samej wysokości bardziej zagłębia się piłeczka o większej masie. Gdy masy były jednakowe, głębiej wbiła się piłeczka wpuszczona z większej wysokości.
W doświadczeniu nastąpiły przemiany energii:
1. Najpierw piłeczkę leżącą początkowo na stole uniesiono na pewną wysokość, czyli wykonano pracę.
2. W wyniku tego piłeczka uzyskała energię potencjalną grawitacji, a więc zdolność do wykonywania pracy.
3. Piłeczka puszczona z wysokości h rozpędziła się podczas spadania (uzyskała energię kinetyczną i uderzyła w ryż.
4. Wtedy wykonała pracę, wgniatając go i znieruchomiała.
Zwróćmy uwagę, że piłeczka tuż przed uderzeniem w ryż utraciła już praktycznie cała energię potencjalną (wysokość na jakiej
znalazła się w tym momencie jest bardzo bliska jej wysokości początkowej), a mimo to mogła wykonać pracę przy wgniataniu ryżu. Tuż nad ryżem energia piłeczki była związana z prędkością, którą uzyskała podczas spadania. Formą energii związaną z ruchem ciała jest energia kinetyczna. Tak więc najpierw w wyniku wykonania pracy przy podnoszeniu piłeczka uzyskała energie potencjalną grawitacji, następnie podczas spadania jej energia potencjalna uległa zmianie na energię kinetyczną i na koniec dzięki energii kinetycznej piłeczka wykonała pracę przy wgniataniu ryżu.
ENERGIA POTENCJALNA GRAWITACJI (CIĘŻKOŚCI) – równoważna wykonanej pracy – zależy od masy ciała i wysokości, na jaką to ciało zostało wzniesione.
Zmianę energii potencjalnej grawitacji związanej z podniesieniem ciała o masie m na
wysokość h, obliczamy ze wzoru:
przyrost energii potencjalnej = masa ciała . przyspieszenie ziemskie . wysokość
△Ep = m . g . h
Jednostką energii potencjalnej (podobnie jak pracy) jest dżul (1J).
