- Ветер и вода на службе человека
- Виды механической энергии
- Многообещающее слово «энергия»
- Одна энергия превращается в другую
- Потенциальная энергия протяженного тела
- Работа и изменение потенциальной энергии упруго деформированного тела
- Работа и потенциальная энергия тела, поднятого над землей
- Теорема о кинетической энергии
- Технологии получения, преобразования и использования энергии – презентация, доклад, проект
- Урок 28. накопление механической энергии – технология – 5 класс – российская электронная школа
Ветер и вода на службе человека
Наверное, каждый семиклассник слышал эти два слова: «цунами» и «торнадо». Цунами – огромной силы волна, обладающая очень большой высотой, достигающей 30 м. Цунами сносят с берегов целые города. Сметающий все на своем пути ураган, потоки ветра которого образуют гигантскую воронку – торнадо.
Цунами Торнадо
Это стихийные бедствия, которые вызваны природными явлениями, обладающими огромным энергетическим потенциалом, неподвластным человеку и не всегда предсказуемы.
И все-таки издавна люди пытались приручить воду и ветер. Чего стоит применение ветра на старинных судах. Здесь ветер подхватывал паруса и нес корабли по волнам в те времена с очень приличной скоростью. Древними греками изобретение паруса ставилось в один ряд с приручением диких животных и освоением свойств огня.
Людьми были придуманы и совсем небольшие приспособления. Так Ньютон еще в молодости придумал очень простое устройство – водяные часы. Стрелка в них соединялась с колесиком, у которого были небольшие деревянные лопасти. На них равномерно падали одинаковые капли воды из сосуда.
Вода капала равномерно, так как отверстие в сосуде было маленькое и не давало воде вытекать струей. При падении капли на лопасть колесика, оно совершало резкий небольшой поворот, а стрелка на шаг передвигалась по циферблату. Падение капель было настроено довольно точно. Так энергия падающих капель заставляла двигаться часовой механизм.
Такого рода устройства были каплей в море деятельности человека.
Самыми используемыми были ветряные и водяные мельницы. Обладая кинетической энергией, ветер заставлял вращаться большие крылья мельницы.
Первые ветряные колеса были созданы тысячи лет назад. С помощью несложных передаточных механизмов вращение передавалось устройствам, мелющим зерно в муку (жерновам).
Ветряная мельница
Ветряные колеса нашли применение в откачке воды из больших емкостей, подъеме воды из колодцев.
Откачивающее устройство Источник
В основе работы водяных мельниц было колесо с лопастями. На лопасти падала речная вода, лопасти опускались вниз, под тяжестью воды, и приводили колесо в движение. Оно вращало жернова. Позднее на основе водяных мельниц стали появляться механизмы, получающие электроэнергию.
Водяная мельница Источник
Водяное колесо легло в основу машины для производства медной проволоки в средние века. Вращающееся под напором воды колесо было соединено с коленообразным воротом, который приводил в движение одноместные качели. На них сидел рабочий, держащий в руках тиски.
Напротив качелей находилась емкость с заготовками для проволоки, отгороженная доской с небольшими отверстиями. Когда качели приближались к доске, рабочий прихватывал тисками часть проволоки, торчащей из отверстия. Качели вместе с рабочим двигались назад, и рабочий тисками вытягивал через маленькие дырки в доске металлические нити. Доска с отверстиями называлась волочильной. Весь механизм называли волочильной установкой.
Источник
Современные аэро- и гидросооружения широко используются для выработки электрической энергии (изучается по физике 8 – 9 класса), без которой не представить человеческую жизнедеятельность сейчас.
Гидроэлектростанция Ветряная электростанция
Человечество потребляет маленькую долю возможностей волн, течений и ветров. Большая часть ветра связана с морскими волнами. В наши дни создаются проекты ветроэнергетики, связанные с морем.
Ветряная станция на море
С 70-х годов прошлого века люди работают над созданием волновых электростанций, расположенных в море. Однако это очень дорогостоящие проекты и пока труднодостижимы. Но вот приливные электростанции, где сила волн используется для превращения механической энергии в электроэнергию, встречаются уже довольно часто.
Приливная электростанция
От первого ветряного паруса до электростанций, использующих силу приливов и отливов, механическая энергия, преобразованная в необходимый вид (электрическую, световую, тепловую), на протяжении многих тысячелетий помогает людям. Обуздать стихийные волны и ветра человек пока еще не может. Это задача будущего.
Виды механической энергии
В механике состояние системы определяется положением тел и их скоростями. Поэтому в ней выделяют два вида энергии: потенциальную и кинетическую.
Пример №1. Мальчик подбросил футбольный мяч массой 0,4 кг на высоту 3 м. Определить его потенциальную и кинетическую энергию в верхней точке.
Потенциальная энергия мяча в поле тяготения Земли равна:
Ep = mgh = 0,4∙10∙3 = 12 (Дж)
В верхней точке полета скорость мяча равна нулю. Следовательно, кинетическая энергия мяча в этой точке тоже будет равна нулю:
Ek = 0 (Дж).
Многообещающее слово «энергия»
Отец с сыном решили построить у себя на даче летний домик для своей собаки. Выбрали место и стали подносить туда доски. Оба старательно трудились. Отец приносил каждый раз по три доски, а сын – по одной. Кто из них совершил большую работу? Конечно отец. В таком случае об отце говорят, что у него энергии больше, чем у сына.
Следует обратить внимание, что оба человека, перенося доски, совершали механическую работу. Со временем способность выполнять задуманное становилась все меньше и меньше, то есть энергия работников уменьшалась.
По выражению физиков, когда телом совершается работа, энергия тела уменьшается.
Итак:
Если представить такую фантастическую ситуацию: неживые физические предметы смогли заговорить, тогда обладающее энергией тело произнесло бы: «Я обещаю вам выполнить любую работу, я могу это сделать, только воспользуйтесь моей возможностью».
Источник
На многочисленных фабриках и заводах, в автомобильном и воздушном транспорте, на теплоходах и тепловозах – везде расходуется энергия топлива. Машины, станки, сложные механизмы используют электроэнергию.
Растения живут за счет энергии солнца. Люди и животные дополнительно берут ее из ежедневно потребляемой пищи. Без этого вообще не возможно существование живой природы.
Это различные виды энергии, и изучаются они в старших классах. Здесь же идет разговор именно о механической энергии, напрямую связанной с механической работой.
Часть энергии теряется при совершении работы, то есть из энергии эта работа вычитается. Значит, как и работа, эта величина в СИ измеряется в джоулях. Обозначают механическую энергию буквой Е.
Само слово «энергия» получило статус международного слова от греческого «эргон», что означает «дело» или «работа». Составная часть слова «эрг» применяется для обозначения еще одной единицы измерения: 1 эрг = 10-7 Дж.
Изменение любой величины физики обозначают греческим символом Δ (дельта). Чтобы получить это значение Δ, надо из полученной величины вычесть первоначальную.
Пусть энергия тела первоначально была Е1, после совершения работы стала Е2. Тогда
ΔЕ = Е2 – Е1,
а это и есть работа А = Е2 – Е1 = ΔЕ
Одна энергия превращается в другую
Наблюдая за движением подвешенных качелей, маятника часов, детской кроватки – качалки, пружинки с грузом, мяча, прыгающего по полу, обычный человек вряд ли может объяснить такое повторяющееся движение. А ученый-физик скажет, что в этих ситуациях происходит превращение энергии.
Этапы, которые проходит пружинный маятник:
- Пружина свободна, не сжата и не растянута. Шар покоится. Полная энергия равна Е = 0.
- Рукой пружина сжимается. В таком случае шар в состоянии выполнить работу, т.е. обладает Еп (максимальной для примера): Еп = max, Ek = 0.
- Пружина разжимается, шар начинает двигаться, скорость его увеличивается. У движущегося тела становится меньше Еп, так как деформация уменьшается. Зато становится больше Ек, так как скорость тела растет. Наблюдается переход одной энергии в другую: Еп Ек.
- Положение шара внешне похоже на начальное положение. Но, если в начальном положении Е была равна 0, то в данном случае равна 0 потенциальная энергия, а кинетическая наоборот достигает максимального значения: Еп = 0 и Ек = max.
- Пружина растягивается за счет кинетической энергии. Шар движется с уменьшающейся скоростью. Ек уменьшается. Зато растет потенциальная (опять увеличивается деформация). Вновь наблюдается превращение энергии: Ек Еп .
- Пружина достигает максимального растяжения и останавливается. Ек = 0. Еп = max. Это значит, что тело опять способно совершить работу. Ситуация такая же, как и в п.2, только с другой стороны движения. Под действием силы упругости начинается обратное движение шара.
Пройдя обратный путь, шар попадает в положение 2 и все начинается заново. Если бы не существовало сил сопротивления, это движение происходило бы бесконечно. Группа тел в этом случае образовала бы замкнутую систему (систему, когда на движение тел не оказывают влияния силы, не участвующие в движении). Но так бывает лишь в теории.
Проводя многочисленные наблюдения и исследования за превращениями в природе, ученые пришли к выводу:
Этот вывод называют законом сохранения энергии. В механике он выглядит так:
Источник
Потенциальная энергия протяженного тела
Пример №4. Лежавшую на столе линейку длиной 0,5 м ученик поднял за один конец так, что она оказалась в вертикальном положении. Какую минимальную работу совершил ученик, если масса линейки 40 г?
Переведем единицы измерения в СИ: 40 г = 0,04 кг. Минимальная работа, необходимая для поднятия линейки за один конец, равна:
Работа и изменение потенциальной энергии упруго деформированного тела
Вспомним, что работа определяется формулой:
A = Fs cosα
Когда мы сжимаем пружину, шарик перемещается в ту же сторону, в которую направлена сила тяги. Если мы растягиваем ее, шарик перемещается так же в сторону направления силы тяги. Поэтому вектор силы упругости и вектор перемещения сонаправлены, следовательно, угол между ними равен нулю, а его косинус — единице:
Модуль силы тяги равен по модулю силе упругости, поэтому:
Перемещение определяется формулой:
s = x – x0
Следовательно, работа силы тяги по сжатию или растяжению пружины равна:
Но известно, что потенциальная энергия упруго деформированного тела равна:
Следовательно, работа силы, под действием которой растягивается или сжимается пружина, равна изменению ее потенциальной энергии:
Работа и потенциальная энергия тела, поднятого над землей
Величина потенциальной энергии зависит от выбора нулевого уровня энергии. В поле тяготения Земли нулевым уровнем энергии обладает тело, находящееся на поверхности планеты.
Если тело поднимается, сила тяжести совершает отрицательную работу. Если тело падает, сила тяжести совершает положительную работу.
Пример №3. Шарик массой 100 г скатился с горки длиной 2 м, составляющей с горизонталью угол 30о. Определить работу, совершенную силой тяжести.
Сначала переведем единицы измерения в СИ: 100 г = 0,1 кг. Под действием силы тяжести положение тела относительно Земли изменилось на величину, равную высоте горки. Высоту горки мы можем найти, умножим ее длину на синус угла наклона. Начальная высота равна высоте горки, конечная — нулю. Отсюда:
A = mg(h0 – h) = 0,1∙10(2∙sin30o – 0) =2∙0,5 = 1 (Дж)
Теорема о кинетической энергии
Пример №2. Скорость движущегося автомобиля массой 1 т изменилась с 10 м/с до 20 м/с. Чему равна работа равнодействующей силы?
Сначала переведем единицы измерения в СИ: 1 т = 1000 кг. Работа равна изменения кинетической энергии, следовательно:
Технологии получения, преобразования и использования энергии – презентация, доклад, проект
Урок 28. накопление механической энергии –
технология –
5 класс –
российская электронная школа
Технология, 5 класс
Урок 28. Накопление механической энергии
Перечень вопросов, рассматриваемых на уроке:
- Способы сохранения энергии
- Работа механизмов энергонакопления.
Тезаурус:
Аккумулирование энергии – накопление энергии впрок.
Аккумулятор – устройство, с помощью которого накапливают и сохраняют энергию.
Маятник – система, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания.
Основная и дополнительная литература по теме урока:
1.Технология. 5 класс : учеб. пособие для общеобразовательных организаций / [В.М. Казакевич, Г.В. Пичугина, Г.Ю. Семенова и др.]; под ред. В.М. Казакевича. — М.: Просвещение, 2021
Теоретический материал для самостоятельного изучения
Накопление энергии — это аккумуляция энергии для её использования в дальнейшем.
Примером устройства накопления энергии (энергонакопителя) является аккумуляторная батарея, в которой хранится химическая энергия, легко преобразуемая в электричество для работы мобильного телефона.
Еще один пример – гидроэлектростанция: вода в резервуаре выступает в качестве источника потенциальной энергии гравитации.
Система из нескольких шариков, подвешенных на нитях в одной плоскости, колеблющихся в этой плоскости и соударяющихся друг с другом, называется маятником Ньютона. Эта система предназначена для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга.
Сегодня данную конструкцию часто можно встретить на столах в офисах.
Механическую энергию можно накапливать, чтобы потом было удобнее и быстрее использовать. Такое накопление энергии называется аккумулированием, а устройства, с помощью которых накапливают и сохраняют энергию, называются аккумуляторами.
Аккумуляторы механической энергии применялись еще с древних времен.
При применении любого механического ручного инструмента происходит передача от мышц человека обрабатываемому предмету, а в инструменте аккумулируется потенциальная и кинетическая энергия.
Таким образом, удары такими примитивными орудиями труда, как например рубило, можно смело считать передачей и аккумулированием механической энергии.
Удельная кинетическая энергия, запасенная в ударном орудии (например, топоре) к моменту удара, зависит от скорости, которую человек способен передать этому орудию.
Первым грузовым аккумулятором можно считать поднятый человеком камень.
Примером аккумулятора может служить тетива арбалета, поднятая гиря в механических весах, спиральная пружина, установленная в механизме часов и заводной игрушке, а так же баллон с сжатым под большим давлением газом.
В механических часах источником питания служит движение пружины, скрытой в особом барабане. Пружина в часах, будучи лентой из стали или иного специализированного сплава находится в свёрнутом виде в металлическом барабане. На внешней поверхности барабана сделаны зубья и колесо-барабан одето на определенный вал, на котором может свободно крутиться вокруг его оси. Один конец пружин закреплён внутри барабана, а другой закреплён за крючок на валу. Владелец заводит свои часы – и тогда пружина внутри корпуса закручивается, после чего начинает раскручиваться, «оживляя» механизм.
Маятник — система, подвешенная в поле тяжести и совершающая механические колебания. Колебания совершаются под действием силы тяжести, силы упругости и силы трения.
Во время колебаний маятника происходят постоянные превращения энергии из одного вида в другой. Кинетическая энергия маятника превращается в потенциальную энергию и обратно.
Маятники используются в различных приборах, например, в часах.
Раскрученный массивный диск-маховик может долго сохранять кинетическую энергию. Его раскручивают до большого числа оборотов в камере, из которой выкачан воздух. Воздух тормозит вращение диска. Скорость вращения составляет от 200-400 оборотов в секунду. Такой супермаховик способен долго вращаться в камере, сохраняя полученную энергию.
Аккумуляторами потенциальной энергии могут служить большие бассейны с водой, расположенные на возвышенности. Спуская поток воды по водоводу к турбине, можно, израсходовав накопленную потенциальную энергию воды, получить дополнительную электроэнергию, когда это необходимо.
Одним из первых стабильных источников энергии, освоенных человеком, был ветер. Именно благодаря ему произошли великие географические открытия, человечество получило возможность путешествовать, орошать поля, молоть зерно и, наконец, оно научилось превращать ветер в чистую энергию в виде электричества.
Энергия ветра впервые была использована на парусных судах, которые были главным транспортным средством для перевозки товаров по Нилу в древнем Египте.
В XI веке ветряные мельницы широко использовались на Ближнем Востоке и при возвращении крестоносцев попали в Европу.
Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля
Задание 1. Постановка элементов в пропуски в таблице
Какие источники энергии используют приведённые ниже устройства?
Правильный вариант ответа: ветер, солнце, вода
Задание 2. Ввод с клавиатуры пропущенных элементов в тексте
Впишите недостающее слово
…– устройство, с помощью которого накапливают и сохраняют энергию.
Правильный ответ: аккумулятор
