Меню
Учебник
Учебник  /  Физика  /  10 класс  /  Физика 10 класс ФГОС  /  Работа. Мощность. Энергия

Работа. Мощность. Энергия

Урок 19. Физика 10 класс ФГОС

В этом видеоуроке мы вспомним, что такое механическая работа и как она определяется. Узнаем, какие два фактора обязательны для совершения механической работы. Выясним, какая физическая величина характеризует быстроту совершения работы. Вспомним, в каких случаях система тел может совершить работу.

Доступ к видеоуроку ограничен


Конспект урока "Работа. Мощность. Энергия"

Второй закон Ньютона в импульсной форме позволяет нам установить, как изменяется модуль и направление скорости тела при действии на него силы в течение некоторого промежутка времени. Но изменение скорости тела возможно только тогда, когда проекция силы на направление перемещения отлична от нуля. Именно эта проекция определяет действие силы, изменяющей скорость тела по модулю. Говорят, что она совершает механическую работу.

Механическая работа — это скалярная физическая величина, которая характеризует процесс перемещения тела под действием силы и равна произведению проекции силы на модуль перемещения:

Работа постоянной силы равна произведению модуля этой силы на модуль перемещения и на косинус угла между ними:

Из записанной формулы следует, что процесс совершения работы возможен только при наличии силы, приложенной к телу, и перемещения тела под действием этой силы.

Несмотря на то, что в общем случае перемещения разных точек твёрдого тела различны, при определении работы мы под перемещением будем понимать перемещение точки приложения силы.

Единицей измерения работы в СИ служит джоуль. Она названа в честь английского учёного Джеймса Прескотта Джоуля, который впервые обосновал эквивалентность работы и теплоты.

Один джоуль — это работа, совершаемая силой один ньютон при перемещении тела на один метр в направлении действия этой силы:

Часто в качестве единицы работы используются дольные и кратные единицы джоуля:

Из формулы для работы также видно, что в случае, когда угол между направлением вектора силы и вектора перемещения острый, то работа этой силы считается положительной. Если вектор силы и вектор перемещения составляют между собой тупой угол, то значение косинуса этого угла будет меньше нуля. Значит, и работа этой силы будет отрицательна. И наконец, если вектор силы перпендикулярен вектору перемещения, то работа не совершается (точнее сказать, работа этой силы равна нулю).

Для примера давайте с вами определим работу силы, под действием которой тело перемещается на 10 м. Сила направлена под углом 60о к горизонту, а её модуль равен 10 Н.

В случае, когда на движущееся тело действует несколько сил одновременно, каждая из них будет совершать работу. А общая работа будет равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами (или говорят, равна работе равнодействующей силы).

Механическую работу можно представить в виде графика зависимости проекции силы от координаты тела. Для примера рассмотрим движение тела вдоль оси ОХ под действием постоянной силы. Очевидно, что в этом случае проекция силы на ось Х также будет постоянной. Поэтому её графиком будет прямая линия, параллельная оси координат тела. А работа этой силы численно равна площади закрашенного прямоугольника.

Если же сила изменяется в процессе движения, то её работу можно представить как произведение средней силы на модуль перемещения. В частности, если сила меняется линейно на данном перемещении, то её работа равна площади заштрихованной трапеции.

Отметим ещё и тот факт, что механическая работа зависит от выбора системы отсчёта. Для примера представьте, что вы находитесь в кабине вертолёта, который заходит на посадку. Совершает ли работу действующая на вас сила тяжести? Если систему отсчёта связать с вертолётом, то нет, так как относительно него вы не двигаетесь. Однако в системе отсчёта, связанной с Землёй, вы движетесь, и поэтому сила тяжести будет совершать положительную работу.

Быстроту совершения работы характеризует физическая величина, называемая мощностью. Она равна отношению работы к промежутку времени, в течение которого эта работа была совершена:

Единицей мощности в СИ является ватт, названная в честь изобретателя универсального парового двигателя Джеймса Уатта

Один ватт — это мощность, при которой работа в один джоуль совершается за одну секунду.

Широко используются и кратные единицы мощности:

А, например, мощность автомобильных двигателей до сих пор указывают во внесистемной единице — лошадиных силах (1 л. с. = 736 Вт).

Но вернёмся к формуле для определения мощности и подставим в неё выражение для работы:

Если учесть, что отношение модуля перемещения к промежутку времени, за который оно произошло, — это модуль скорости тела, то для постоянной силы и скорости мощность равна произведению модуля вектора силы на модуль вектора скорости и на косинус угла между направлениями этих векторов.

В заключение урока отметим, что если система тел может совершить работу, то говорят, что она обладает механической энергией или просто энергией.

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

Совершая работу, тело или система тел переходят из одного состояния в другое, в котором их энергия минимальна. Например, поднятый над Землёй груз падает на её поверхность под действием силы притяжения к Земле.

Сжатая или растянутая пружина возвращается в недеформированное состояние под действием сил упругости. А движущееся тело со временем останавливается из-за действия сил трения. При этом во всех случаях изменение механической энергии равно работе приложенных к системе внешних сил.

359

Комментарии 0

Чтобы добавить комментарий зарегистрируйтесь или на сайт