Томск.: ТУСУР, 2012.- 136 с.

Данное пособие содержит 13 глав по основным разделам механики, предусмотренным базовым стандартом физического образования для студентов технических специальностей ВУЗов. На оригинальном методическом уровне в пособии изложены основы метода координат и векторного понятийного аппарата механики, основы кинематики и динамики поступательного и вращательного движения твердого тела, законы сохранения энергии и импульса механических систем; механика жидкости и упругого твердого вещества, классическая теория гравитации и движения небесных тел, основные свойства гармонических колебаний, физические основы специальной теории относительности. Данное пособие по физике изложено максимально кратким, но достаточно информативным языком. В целом, данное пособие представляется полезным не только для студентов первых курсов, но и для всех выпускников технических вузов. Новые подходы в изложении некоторых разделов найдут также преподаватели физики.

Формат: pdf

Размер: 1,7 Мб

Смотреть, скачать: yandex.disk

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 6
1 Метод координат. Векторы 9
1.1 Определения первичных физических терминов 9
1.2 Система координат 10
1.3 Скорость и ускорение 11
1.4 Изменение координаты как интеграл от скорости 12
1.5 Обобщение на случай трехмерного движения 13
1.6 Векторы 14
1.7 Векторная алгебра 16
2 Кинематика материальной точки 19
2.1 Скорость и ускорение при криволинейном движении 19
2.2 Векторное произведение 21
2.3 Кинематика вращательного движения 24
2.4 Движение тела, брошенного под углом к горизонту 26
3 Законы движения 29
3.1 Понятие силы 29
3.2 Второй закон Ньютона. Масса 30
3.3 Третий закон Ньютона 31
3.4 Инерциальные системы отсчета 33
3.5 Неинерциальные системы отсчета 34
3.6 Принцип относительности Галилея 35
3.7 Примеры различных сил 36
4 Импульс и энергия 40
4.1 Центр инерции (центр масс) протяженного тела 40
4.2 Определение положения центра масс у простых тел 42
4.3 Импульс тела 43
4.4 Механическая работа и кинетическая энергия 44
4.5 Консервативные силы 46
4.6 Потенциальная энергия. Градиент 47
4.7 Закон сохранения механической энергии 49
5 Столкновение двух частиц 51
5.1 Внутренняя энергия механической системы 51
5.2 Классификация парных столкновений 52
5.3 Абсолютно упругий центральный (лобовой) удар 53
5.4 Абсолютно неупругий удар 54
5.5 Столкновение в С-системе 55
5.6 Абсолютно упругий нецентральный удар 55
6 Механика жидкости 58
6.1 Закон Паскаля 58
6.2 Гидростатическое давление. Сила Архимеда 59
6.3 Стационарное течение идеальной жидкости 60
6.4 Примеры использования уравнения Бернулли 62
6.5 Вязкое трение 64
6.6 Течение вязкой жидкости по трубе 65
6.7 Турбулентное течение. Число Рейнольдса 66
6.8 Силы сопротивления при движении тел в вязкой жидкости 67
7 Упругие свойства твердых тел 69
7.1 Напряжение и деформация 69
7.2 Закон Гука. Модуль Юнга и отношение Пуассона 71
7.3 Энергия упругой деформации среды 72
7.4 Всестороннее сжатие 72
7.5 Деформация сжатия закрепленного стержня 73
7.6 Термическая деформация твердых тел 74
7.7 Деформация сдвига 75
8 Динамика твердого тела 78
8.1 Момент инерции твердого тела 78
8.2 Моменты инерции некоторых простых тел 79
8.3 Момент силы 81
8.4 Момент импульса 82
8.5 Динамика вращательного движения 83
8.6 Скатывание круглого тела с наклонной плоскости 84
9 Трехмерное вращение твердых тел 87
9.1 Тензор момента инерции твердого тела 87
9.2 Энергия и момент импульса несимметричного тела 89
9.3 Гироскоп 89
9.4 Центробежные силы и силы Кориолиса 91
10 Сила всемирного тяготения 94
10.1 Закон всемирного тяготения Ньютона 94
10.2 Гравитация вблизи протяженных тел 96
10.3 Приливные силы 98
10.4 Задача Кеплера 99
10.5 Параметры эллиптических орбит 101
10.6 Алгоритм расчета траектории небесного тела 103
11 Гармонические колебания 104
11.1 Малые колебания 104
11.2 Энергия колебательного движения 106
11.3 Сложение одномерных колебаний. Биения 106
11.4 Сложение взаимно перпендикулярных колебаний 107
11.5 Колебания связанных маятников 108
12 Принцип относительности 112
12.1 Скорость света и постулат Эйнштейна 112
12.2 Преобразования Лоренца 114
12.3 Следствия преобразований Лоренца 116
12.3.1 Относительность одновременности 116
12.3.2 Относительность длин отрезков 117
12.3.3 Относительность промежутков времени между событиями. . 118
12.4 Сложение скоростей 119
12.5 Аберрация света 120
13 Релятивистская динамика 122
13.1 Релятивистский импульс 122
13.2 Энергия релятивистских частиц 123
13.3 Закон сохранения полной энергии 124
13.4 Неупругое столкновение двух релятивистских частиц 126
13.5 Четырехмерное пространство-время 127
13.6 Скалярное произведение 4-векторов 129
13.7 Оптический эффект Доплера 131
Заключение 134
Литература 135

Данное пособие содержит 13 глав по основным разделам механики, предусмотренным базовым стандартом физического образования для студентов технических специальностей ВУЗов.
На оригинальном методическом уровне в пособии изложены основы метода координат и векторного понятийного аппарата механики, основы кинематики и динамики поступательного и вращательного движения твердого тела, законы сохранения энергии и импульса механических систем, механика жидкости и упругого твердого вещества, классическая теория гравитации и движения небесных тел, основные свойства гармонических колебаний, физические основы специальной теории относительности.
Содержание глав представляет собой связное и последовательное изложение материала, в котором специально выделены наиболее важные элементы: определения новых терминов, утверждения, имеющие силу теорем, факты или положения, требующие особого внимания от читателя. В конце каждой главы приведен перечень контрольных вопросов, на которые читатель должен уметь ответить в ходе коллоквиума или беседы с преподавателем.
Все векторные величины в формулах и тексте обозначены полужирным шрифтом, например вектор скорости v. Скалярное произведение векторов обозначается точкой между векторами-сомножителями - Fv, а векторное произведение крестиком- г хр. Скобки в математических формулах используются только для стандартной группировки математических операций и обозначения аргументов функций.
Данное пособие по физике изложено максимально кратким, но достаточно информативным языком. В целом, данное пособие представляется полезным не только для студентов первых курсов, но и для всех выпускников технических вузов. Новые подходы в изложении некоторых разделов найдут также преподаватели физики.

Работа и энергия. Законы сохранения энергии и импульса

Работа и мощность

Закон сохранения импульса.

Энергия. Потенциальная и кинетическая энергии. Закон сохранения энергии.

Работа и мощность

Когда под действием некоторой силы тело совершает перемещение, то действие силы характеризуется величиной, которая называется механической работой.

Механическая работа - мера действия силы, в результате которого тела совершают перемещение.

Работа постоянной силы. Если тело движется прямолинейно под действием постоянной силы, составляющей некоторый угол  с направлением перемещения (рис.1), работа равна произведению этой силы на перемещение точки приложения силы и на косинус угла  между векторами и; или работа равна скалярному произведению вектора силы на вектор перемещения:

Работа переменной силы. Чтобы найти работу переменной силы, пройденный путь разбивают на большое число малых участков так, чтобы их можно было считать прямолинейными, а действующую в любой точке данного участка силу - постоянной.

Элементарная работа (т.е. работа на элементарном участке) равна , а вся работа переменной силы на всем пути S находится интегрированием: .

В качестве примера работы переменной силы рассмотрим работу, совершаемую при деформации (растяжении) пружины, подчиняющейся закону Гука.

Если начальная деформация x 1 =0, то.

При сжатии пружины совершается такая же работа.

Графическое изображение работы (рис.3).

На графиках работа численно равна площади заштрихованных фигур.

Для характеристики быстроты совершения работы вводят понятие мощности.

Мощность постоянной силы численно равна работе, совершаемой этой силой за единицу времени.

1 Вт- это мощность силы, которая за 1 с совершает 1 Дж работы.

В случае переменной мощности (за малые одинаковые промежутки времени совершается различная работа) вводится понятие мгновенной мощности:

где скорость точки приложения силы.

Т.о. мощность равна скалярному произведению силы на скорость точки её приложения.

2. Закон сохранения импульса.

Механической системой называется совокупность тел, выделенная для рассмотрения. Тела, образующие механическую систему, могут взаимодействовать, как между собой, так и с телами, не принадлежащими данной системе. В соответствие с этим силы, действующие на тела системы, подразделяют на внутренние и внешние.

Внутренними называются силы, с которыми тела системы взаимодействуют между собой

Внешними называются силы, обусловленные воздействием тел, не принадлежащих данной системе.

Замкнутой (или изолированной) называется система тел, на которую не действуют внешние силы.

Для замкнутых систем оказываются неизменными (сохраняются) три физических величины: энергия, импульс и момент импульса. В соответствии с этим имеют место три закона сохранения: энергии, импульса, момента импульса.

Рассмотрим систему, состоящую из 3-х тел, импульсы которых и на которые действуют внешние силы (рис. 4).Согласно 3 закону Ньютона, внутренние силы попарно равны и противоположно направлены:

Внутренние силы:

Запишем основное уравнение динамики для каждого из этих тел и сложим почленно эти уравнения

Для N тел:

.

Сумма импульсов тел, составляющих механическую систему, называется импульсом системы:

Т.о., производная по времени импульса механической системы равна геометрической сумме внешних сил, действующих на систему,

Для замкнутой системы .

Закон сохранения импульса : импульс замкнутой системы материальных точек остается постоянным.

Из этого закона следует неизбежность отдачи при стрельбе из любого орудия. Пуля или снаряд в момент выстрела получают импульс, направленный в одну сторону, а винтовка или орудие получают импульс, направленный противоположно. Для уменьшения этого эффекта применяют специальные противооткатные устройства, в которых кинетическая энергия орудия превращается в потенциальную энергию упругой деформации и во внутреннюю энергию противооткатного устройства.

Закон сохранения импульса лежит в основе движения судов (подводных лодок) при помощи гребных колес и винтов, и водометных судовых двигателей (насос всасывает забортную воду и отбрасывает ее за корму). При этом некоторое количество воды отбрасывается назад, унося с собой определенный импульс, а судно приобретает такой же импульс, направленный вперед. Этот же закон лежит в основе реактивного движения.

Абсолютно неупругий удар - столкновение двух тел, в результате которого тела объединяются, двигаясь дальше как единое целое. При таком ударе механическая энергия частично или полностью переходит во внутреннюю энергию соударяющихся тел, т.е. закон сохранения энергии не выполняется, выполняется только закон сохранения импульса.

Теория абсолютно упругих и абсолютно неупругих ударов используется в теоретической механике для расчета напряжений и деформаций, вызванных в телах ударными силами. При решении многих задач удара часто опираются на результаты разнообразных стендовых испытаний, анализируя и обобщая их. Теория удара широко используется при расчетах взрывных процессов; применяется в физике элементарных частиц при расчетах столкновений ядер, при захвате частиц ядрами и в других процессах.

Большой вклад в теорию удара внёс российский академик Я.Б.Зельдович, который, разрабатывая в 30-х годах физические основы баллистики ракет, решил сложную задачу удара тела, летевшего с большой скоростью по поверхности среды.

3.Энергия. Потенциальная и кинетическая энергия. Закон сохранения энергии.

Все введенные ранее величины характеризовали только механическое движение. Однако форм движения материи много, постоянно происходит переход от одной формы движения к другой. Необходимо ввести физическую величину, характеризующую движение материи во всех формах её существования, с помощью которой можно было бы количественно сравнивать различные формы движения материи.

Энергия - мера движения материи во всех её формах. Основное свойство всех видов энергии - взаимопревращаемость. Запас энергии, которой обладает тело, определяется той максимальной работой, которую тело может совершать, израсходовав свою энергию полностью. Энергия численно равна максимальной работе, которую тело может совершить, и измеряется в тех же единицах, что и работа. При переходе энергии из одного вида в другой нужно подсчитать энергию тела или системы до и после перехода и взять их разность. Эту разность принято называть работой:

Т. о., физическая величина, характеризующая способность тела совершать работу, называется энергией.

Механическая энергия тела может быть обусловлена либо движением тела с некоторой скоростью, либо нахождением тела в потенциальном поле сил.

Кинетическая энергия.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической. Работа, совершенная над телом, равна приращению его кинетической энергии.

Найдем эту работу для случая, когда равнодействующая всех приложенных к телу сил равна .

Работа, совершенная телом за счет кинетической энергии, равна убыли этой энергии.

Потенциальная энергия.

Если в каждой точке пространства на тело воздействуют другие тела с силой, величина которой может быть различна в разных точках, говорят, что тело находится в поле сил или силовом поле.

Если линии действия всех этих сил проходит через одну точку - силовой центр поля, - а величина силы зависит только от расстояния до этого центра, то такие силы называются центральными, а поле таких сил - центральным (гравитационное, электрическое поле точечного заряда).

Поле постоянных во времени сил называется стационарным.

Поле, в котором линии действия сил - параллельные прямые, расположенные на одинаковом расстоянии друг от друга - однородное.

Все силы в механике подразделяются на консервативные и неконсервативные (или диссипативные).

Силы, работа которых не зависит от формы траектории, а определяется только начальным и конечным положением тела в пространстве, называются консервативными.

Работа консервативных сил по замкнутому пути равна нулю. Все центральные силы являются консервативными. Силы упругой деформации также являются консервативными силами. Если в поле действуют только консервативные силы, поле называется потенциальными (гравитационные поля).

Силы, работа которых зависит от формы пути, называются неконсервативными (силы трения).

Потенциальной энергией называют часть общей механической энергии системы, которая определяется только взаимным расположением тел, составляющих систему, и характером сил взаимодействия между ними. Потенциальная энергия - это энергия, которой обладают тела или части тела вследствие их взаимного расположения.

Понятие потенциальной энергии вводится следующим образом. Если тело находится в потенциальном поле сил (например, в гравитационном поле Земли), каждой точке поля можно сопоставить некоторую функцию (называемую потенциальной энергией) так, чтобы работа А 12 , совершаемая над телом силами поля при его перемещении из произвольного положения 1 в другое произвольное положение 2, была равна убыли этой функции на пути 12:

где и значения потенциальной энергии системы в положениях 1 и 2.

З

аписанное соотношение позволяет определить значение потенциальной энергии с точностью до некоторой неизвестной аддитивной постоянной. Однако, это обстоятельство не имеет никакого значения, т.к. во все соотношения входит только разность потенциальных энергий, соответствующих двум положениям тела. В каждой конкретной задаче уславливаются считать потенциальную энергию какого-то определенного положения тела равной нулю, а энергию других положений брать по отношению к нулевому уровню. Конкретный вид функции зависит от характера силового поля и выбора нулевого уровня. Поскольку нулевой уровень выбирается произвольно, может иметь отрицательные значения. Например, если принять за нуль потенциальную энергию тела, находящегося на поверхности Земли, то в поле сил тяжести вблизи земной поверхности потенциальная энергия тела массой m, поднятого на высоту h над поверхностью, равна (рис. 5).

где - перемещение тела под действием силы тяжести;

Потенциальная энергия этого же тела, лежащего на дне ямы глубиной H, равна

В рассмотренном примере речь шла о потенциальной энергии системы Земля-тело.

Потенциальной энергией может обладать не только система взаимодействующих тел, но отдельно взятое тело. В этом случае потенциальная энергия зависит от взаимного расположения частей тела.

Выразим потенциальную энергию упруго деформированного тела.

Потенциальная энергия упругой деформации, если принять, что потенциальная энергия недеформированного тела равна нулю;

где k - коэффициент упругости, x - деформация тела.

В общем случае тело одновременно может обладать и кинетической и потенциальной энергиями. Сумма этих энергий называется полной механической энергией тела:

Полная механическая энергия системы равна сумме её кинетической и потенциальной энергий. Полная энергия системы равна сумме всех видов энергии, которыми обладает система.

Закон сохранения энергии - результат обобщения многих экспериментальных данных. Идея этого закона принадлежит Ломоносову, изложившему закон сохранения материи и движения, а количественная формулировка дана немецким врачом Майером и естествоиспытателем Гельмгольцем.

Закон сохранения механической энергии : в поле только консервативных сил полная механическая энергия остается постоянной в изолированной системе тел. Наличие диссипативных сил (сил трения) приводит к диссипации (рассеянию) энергии, т.е. превращению её в другие виды энергии и нарушению закона сохранения механической энергии.

Закон сохранения и превращения полной энергии : полная энергия изолированной системы есть величина постоянная.

Энергия никогда не исчезает и не появляется вновь, а лишь превращается из одного вида в другой в эквивалентных количествах. В этом и заключается физическая сущность закона сохранения и превращения энергии: неуничтожимость материи и её движения.

1. Законы сохранения как отражение симметрии в физике

   Закон >> Физика

   Результаты теоремы Нетер, в работе получены динамические законы сохранения энергии , импульса и момента импульса . Показано также, что... теоремы Нетер, в работе получены динамические законы сохранения энергии , импульса и момента импульса . Показано также, что...

2. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах

   Закон >> Биология

   Что полная энергия системы в процессе движения остается неизменной. Закон сохранения импульса является следствием трансляционной...

3. Закон сохранения импульса

   Контрольная работа >> Физика

   Внешние силы), то суммарный импульс системы остается постоянным - закон сохранения импульса . У системы материальных точек... . Полное изменение кинетической энергии i - точки в соответствии с выражением (6-15) определяется работой

Энергия и импульс являются важнейшими понятиями физики. Оказывается, что вообще в природе законы сохранения играют важную роль. Поиск сохраняющихся величин и законов, из которых они могут быть получены, – предмет исследований во многих разделах физики. Выведем эти законы простейшим способом из второго закона Ньютона.

Закон сохранения импульса. Импульс , или количество движения p определяется как произведение массы m материальной точки на скорость V : p = m V . Второй закон Ньютона с использованием определения импульса записывается в виде

= d p = F , (1.3.1)

здесь F – равнодействующая приложенных к телу сил.

Замкнутой системой называют систему, в которой сумма внешних сил, действующих на тело равна нулю:

F = å F i = 0 . (1.3.2)

Тогда изменение импульса тела в замкнутой системе по второму закону Ньютона (1.3.1), (1.3.2) составляет

d p = 0 . (1.3.3)

В этом случае импульс системы частиц остается постоянной величиной:

p = å p i = const . (1.3.4)

Это выражение представляет собой закон сохранения импульса , который формулируется так: когда сумма внешних сил, действующих на тело или систему тел, равна нулю, импульс тела или системы тел является постоянной величиной.

Закон сохранения энергии. В обыденной жизни под понятием «работа» мы понимаем всякий полезный труд человека. В физике же изучается механическая работа , которая совершается, только когда тело перемещается под действием силы. Механическая работа ∆A определяется как скалярное произведение силы F , приложенной к телу, и перемещения тела Δr в результате действия этой силы:

AA = (F , Δr ) = F Ar cosα. (1.3.5)

В формуле (1.3.5) знак работы определяется знаком cos α.

Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем. Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции),

в этом случае механическая работа также не совершается. Если система тел может совершить работу, то она обладает энергией.

Энергия представляет собой одно из важнейших понятий не только в механике, но и в других областях физики: термодинамике и молекулярной физике, электричестве, оптике, атомной, ядерной и физике частиц.

В любой системе, принадлежащей физическому миру, энергия сохраняется при любых процессах. Меняться может лишь форма, в которую она переходит. Например, при попадании пули в кирпич часть кинетической энергии (причем, бóльшая) переходит в тепло. Причина этого – наличие силы трения между пулей и кирпичом, в котором она двигается с большим трением. При вращении ротора турбины механическая энергия превращается в электрическую энергию, а при этом в замкнутой цепи возникает ток. Энергия, выделяющаяся при сжигании химического топлива, т.е. энергия молекулярных связей, превращается в тепловую энергию. Природа химической энергии – это энергия межмолекулярных и межатомных связей, по сути, представляющая собой молекулярную или атомную энергию.

Энергия – скалярная величина, характеризующая способность тела совершить работу:

E2- E1= ∆A. (1.3.6)

При совершении механической работы энергия тела переходит из одной формы в другую. Энергия тела может быть в форме кинетической или потенциальной энергии.

Энергию механического движения

W кин = .

называют кинетической энергией поступательного движения тела. Работа и энергия в системе единиц СИ измеряется в джоулях (Дж).

Энергия может быть обусловлена не только движением тел, но и их взаимным расположением и формой. Такую энергию называют потенциальной .

Потенциальной энергией обладают друг относительно друга два груза, соединенные пружиной, или тело, находящееся на некоторой высоте над Землей. Этот последний пример относится к гравитационной потенциальной энергии, когда тело перемещается с одной высоты над Землей на другую. Она вычисляется по формуле

Преснякова И.А. 1 Бондаренко М.А. 1

Атаян Л.А. 1

1 Муниципальное образовательное учреждение «Средняя школа №51 имени Героя Советского Союза А. М. Числова Тракторозаводского района Волгограда»

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В мире, в котором мы живём, всё течёт и изменяется, но человек всегда надеется отыскать нечто неизменное. Это неизменное должно быть первоисточником любого движения - это энергия.

Актуальность проблемы вытекает из повышенной заинтересованности к точным наукам. Объективные возможности по формированию познавательного интереса- экспериментальное обоснование, как основного условия научного познания.

Объект исследования- энергия и импульс.

Предмет: законы сохранения энергии и импульса.

Цель работы:

Исследовать выполнение законов сохранения энергии и импульса в различных механических процессах;

Развивать навыки исследовательской работы, научиться анализировать полученный результат.

Для реализации поставленной цели выполнены следующие задачи:

- провели анализ теоритического материала по теме исследования;

Исследовали специфику действия законов сохранения;

Рассматривали практическую значимость этих законов.

Гипотеза исследования заключается в том, что законы сохранения и превращение энергии и импульса - универсальные законы природы.

Значимость работы заключается в использовании результатов исследований на уроках физики, что определяет возможности приращения новых умений и навыков; развитие проекта предполагается через создание сайта, где будут раскрыты дальнейшие экспериментальные исследования.

Глава I .

1. 1 Виды механической энергии

Энергия - это общая мера различных процессов и видов взаимодействия. Механической энергией называют физическую величину, характеризующую способность тела или системы тел совершить работу. Энергия тела или системы тел определяется максимальной работой, которую они способны совершить в данных условиях. К механической энергии относят два вида энергии - кинетическую и потенциальную. Кинетической энергией называется энергия движущегося тела. Для вычисления кинетической энергии предположим, что на тело массы m в течение времени t действует неизменная сила F , которая вызывает изменение скорости на величину v -v 0 , и при этом совершается работа A = Fs (1),где s - путь, пройденный телом за время t в направлении действия силы. Согласно второму закону Ньютона запишем Ft = m(v - v 0), откуда F = m .Пройденный телом за время путь определим через среднюю скорость: s = v ср t .Так как движение равнопеременное, то s= t .Можно сделать вывод, что кинетическая энергия тела массы m , движущегося поступательно со скоростью v , при условии, что v 0 = 0, равна:E к =(3).При соответствующих условиях возможно изменение потенциальной энергии, за счет чего свершается работа.

Проведем эксперимент: Сравним потенциальную энергию пружины с потенциальной энергией поднятого тела.Оборудование: штатив, динамометр учебный, шар массой 50 г, нитки, линейка измерительная, весы учебные, гири.Определим высоту подъема шара за счет потенциальной энергии растянутой пружины, используя закон сохранения механической энергии. Проведём эксперимент и сравните результаты расчета и опыта.

Порядок выполнения работы.

1. Измерим с помощью весов массу m шара.

2. Укрепим динамометр на штативе и к крючку привяжем шар. Заметим начальную деформацию x 0 пружины, соответствующую показанию динамометра F 0 =mg .

3. Удерживаем шар на поверхности стола, поднимем лапку штатива с динамометром так, чтобы динамометр показывал силу F 0 + F 1 , где F 1 = 1 Н, при удлинении пружины динамометра, равном x 0 + x 1 .

4. Рассчитаем высоту H Т , на которую должен подняться шар под действием силы упругости растянутой пружины в поле силы тяжести: H Т =

5. Отпустим шар и заметим с помощью линейки высоту H Э , на которую поднимается шар.

6. Повторим опыт, поднимая динамометр так, чтобы его удлинение было равно x 0 + x 2 , x 0 + x 3 , что соответствует показаниям динамометра F 0 + F 2 и F 0 + F 3 , где F 2 = 2 Н, F 3 = 3 Н.

7. Рассчитаем высоту подъема шара в этих случаях и производим соответствующие измерения высоты с помощью линейки.

8. результаты измерений и расчетов заносим в отчетную таблицу.

				H Т , м	H Э , м

kx 2 /2= mgH (0,0125Дж= 0,0125Дж)

9. Для одного из опытов оценим достоверность проверки закона сохранения энергии = mgH .

1.2. Закон сохранения энергии

Рассмотрим процесс изменения состояния тела, поднятого на высоту h . При этом его потенциальная энергия E p = mh . Тело начало свободно падать (v 0 = 0). В начале паденияE p = max, а E к = 0.Однако сумма кинетической и потенциальной энергией во всех промежуточных точках пути остается неизменной, если не происходит рассеяния энергии на трение и т.д. следовательно, если не происходит превращения механической энергии в другие виды энергии, тоEp + E к = const. Такая система относится к консервативным.Энергия замкнутой консервативной системы остается постоянной при всех происходящих в ней процессах и превращениях. Энергия может переходить из одних видов в другие (механические, тепловые, электрические и т.д.), но общее ее количество остается постоянным. Данное положение называют законом сохранения и превращения энергии.

Проведем эксперимент: сравним изменения потенциальной энергии растянутой пружины с изменением кинетической энергии тела.

	F у							E k	ΔE k

Оборудование: два штатива для фронтальных работ, динамометр учебный, шар, нитки, листы белой и копировальной бумаги, линейка измерительная, весы учебные со штативом, гири.На основании закона сохранения и превращения энергии при взаимодействии тел силами упругости изменение потенциальной энергии растянутой пружины должно быть равно изменению кинетической энергии связанного с ней тела, взятому с противоположным знаком:ΔE p= - ΔE k .Для экспериментальной проверки этого утверждения можно воспользоваться установкой.В лапке штатива закрепляем динамометр. К его крючку привязываем шар на нити длиной 60-80 см. На другом штативе на одинаковой высоте с динамометром укрепляем в лапке желоб. Установив шар на краю желоба, и удерживая его, отодвигаем второй штатив от первого на длину нити. Если отодвинуть шар от края желоба на x , то в результате деформация пружина приобретет запас потенциальной энергии ΔE p = , где k - жесткость пружины.Затем шар отпускаем. Под действием силы упругости шар приобретает скорость υ . Пренебрегая потерями, вызванными действием силы трения, можно считать, что потенциальная энергия растянутой пружины полностью превратится в кинетическую энергию шара:. Скорость шара можно определить, измерив, дальность его полета s при свободном падении с высоты h . Из выражений v = и t = следует, что v = s . Тогда ΔE k = = . С учетом равенства F у = kx получим: =.

kx2/2 = (mv) 2 /2

0,04=0,04 .Оценим границы погрешностей измерения потенциальной энергии растянутой пружины.Так как E p =, то граница относительной погрешности равна: = + = +.Граница абсолютной погрешности равна:ΔEp = E p. Оценим границы погрешностей измерения кинетической энергии шара. Так как E k = , то граница относительной погрешности равна: = + ? + ? g + ? h .Погрешностями,? g и? h по сравнению с погрешностью?s можно пренебречь. В этом случае ≈ 2 ? = 2 .Условия эксперимента по измерению дальности полета таковы, что отклонения результатов отдельных измерений от среднего значительно выше границы систематической погрешности (Δs случ Δ s сист), поэтому можно принять, что Δs ср ≈ Δs случ. Граница случайной погрешности среднего арифметического при небольшом числе измерений N находится по формуле: Δs ср = ,

гдерассчитывается по формуле:

Таким образом, = 6.Граница абсолютной погрешности измерения кинетической энергии шара равна: ΔE k = E k .

Глава II .

2.1. Закон сохранения импульса

Импульсом тела (количеством движения) называется произведение массы тела на его скорость. Импульс - векторная величина.Единица СИ импульса: = кг*м/с = Н*с. Если p- импульс тела, m - масса тела, v - скорость тела, то = m (1). Изменение импульса тела постоянной массы может происходить только в результате изменения скорости и всегда обусловлено действием силы.Если Δp - изменение импульса,m - масса тела, Δv = v 2 -v 1 - изменение скорости,F - ускоряющая тело постоянная сила, Δt - продолжительность действия силы, то согласно формул=m и = . Имеем = m = m ,

Учитывая выражение (1) получаем: Δ = m Δ = Δt (2).

На основании (6) можно заключить, что изменения импульсов двух взаимодействующих тел одинаковы по модулю, но противоположны по направлению (если импульс одного из взаимодействующих тел увеличивается, то импульс другого тела на столько же уменьшается), а на основании (7) - что суммы импульсов тел до взаимодействия и после взаимодействия равны, т.е. суммарный импульс тел в результате взаимодействия не изменяется.Закон сохранения импульса справедлив для замкнутой системы с любым числом тел:= = constant. Геометрическая сумма импульсов замкнутой системы тел остается постоянной при любых взаимодействиях тел этой системы между собой, т.е. импульс замкнутой системы тел сохраняется.,

Проведем опыт: проверим выполнение закона сохранения импульса.

Оборудование: штатив для фронтальных работ; лоток дугообразный; шары диаметром 25мм-3шт.; линейка измерительная длиной 30см с миллиметровыми делениями; листы белой и копировальной бумаги; весы учебные; гири. Проверим выполнение закона сохранения импульса при прямом центральном соударении шаров. По закону сохранения импульса при любых взаимодействиях тел векторная сумма

m 1 кг

m 2 кг

l 1. м

v 1 .м/с

p 1. кг*м/с

l ′ 1

l ′ 2

v ′ 1

v ′ 2

p ′ 1

p ′ 2

центральный

импульсов до взаимодействия равна векторной сумме импульсов тел после взаимодействия. В справедливости этого закона можно убедиться на опыте, изучая столкновения шаров на установке. Для сообщения шару определенного импульса в горизонтальном направлении используем наклонный лоток с горизонтальным участком. Шар, скатившись с лотка, движется по параболе до удара о поверхность стола. Проекции скорости

шара и его импульса на горизонтальную ось во время свободного падения не изменяются, так как нет сил, действующих на шар в горизонтальном направлении. Определив импульс одного шара, проводим опыт с двумя шарами, поставив на краю лотка второй шар, и запускаем первый шар так же, как и в первом опыте. После соударения оба шара слетают с лотка. По закону сохранения импульса сумма импульсов первогои второго шаров до столкновения должна быть равна сумме импульс и этих шаров после столкновения: + = + (1) .Если при столкновении шаров произошел центральный удар (при котором векторы скоростей шаров в момент столкновения параллельны линии, соединяющей центры шаров), и оба шара после столкновения движутся вдоль одной прямой и в том же направлении, в каком двигался первый шар до столкновения, то от векторной формы записи закона сохранения импульса можно перейти к алгебраической форме:p 1 + p 2 = p ′ 1 + p ′ 2 , или m 1 v 1 + m 2 v 2 = m 1 v ′ 1 + m 2 v ′ 2 (2). Так как скорость v 2 второго шара до столкновения была равна нулю, то выражение (2) упрощается:m 1 v 1 = m 1 v ′ 1 + m 2 v ′ 2 (3)

Для проверки выполнения равенства (3) измеряем массы m 1 и m 2 шаров и вычисляем скорости v 1 , v ′ 1 иv ′ 2 . Во время движения шара по параболе, проекция скорости на горизонтальную ось не изменится; ее можно найти по дальности l полета шара в горизонтальном направлении и времени t его свободного падения (t =):v = = l (4). p1 = p′1 + p′2

0,06 кг*м/с = (0,05+0,01) кг*м/с

0,06 кг*м/с=0,06 кг*м/с

Мы убедились в выполнения закона сохранения импульса при прямом центральном соударении шаров.

Проведем опыт: сравним импульс силы упругости пружины с изменением импульса снаряда.Оборудование: двусторонний баллистический пистолет; весы технические с разновесом; штангенциркуль; уровень; лента измерительная; отвес; динамометр пружинный на нагрузку 4 Н; штатив лабораторный с муфтой; пластинка с проволочной петлей; по два листа писчей и копировальной бумаги.Известно, что импульс силы равен изменению импульса тела, на которое действует постоянная сила, т.е.Δt = m - m . В этой работе сила упругости пружины действует на снаряд, который в начале опыта покоится (v 0 = 0): выстрел производится снарядом 2 , а снаряд 1 в это время прочно удерживается рукой на платформе. Поэтому данное соотношение в скалярной форме можно переписать так: Ft = mv, где F - средняя сила упругости пружины, равная, t- время действия силы упругости пружины, m - масса снаряда 2, v -горизонтальная составляющая скорости снаряда. Максимальную силу упругости пружины и массу снаряда 2 измеряем. Скорость v вычисляем из соотношения v= , где - постоянная величина, а h - высота и s - дальность полета снаряда берутся из опыта. Время действия силы вычисляют из двух уравнений: v = at и v 2 = 2ax , т.е. t= , где x - величина деформации пружины. Для нахождения величины x измеряем у первого снаряда длину выступающей части пружины l , а у второго - длину выступающего стержня и складываем их: x = l 1 + l 2 . Измеряем дальность полета s (расстояние от отвеса до усредненной точки) и высоту падения h . Потом определяем на весах массу снаряда m 2 и, измерив штангенциркулем l 1 и l 2 , вычисляем величину деформации пружины x . После этого у снаряда 1 отвертываем шарик и зажимаем им пластинку с петлей из проволоки. Снаряды соединяем и за петлю цепляем крючок динамометра. Придерживая снаряд 2 рукой, сжимаем пружину с помощью динамометра (при этом снаряды должны соединиться) и определяем силу упругости пружины Зная дальность полета и высоту падения, вычисляем скорость снаряда

						mv, 10 -2 кг*м/сек	Ft, 10 -2 кг*м/сек

v= , а затем и время действия силы t = . Наконец, вычисляем изменение импульса снаряда mv и импульс силы Ft . Опыт повторяем три раза, меняя силу упругости пружины, и все результаты измерений и вычислений заносим в таблицу.Результаты опыта при h = 0,2 м и m = 0,28 кг будут такие: mv=Ft (3,47*10-2 кг*м/с =3,5*10-2 кг*м/с)

	F макс, Н					s(из опыта)м

Совпадения окончательных результатов в пределах точности измерений подтверждает закон сохранения импульса.mv=Ft (3,47*10 -2 кг*м/с =3,5*10 -2 кг*м/с). Подставив эти выражения в формулу (1) и выразив ускорение через среднюю силу упругости пружины, т.е. a= , получаем формулу для вычисления дальности полета снаряда: s = . Таким образом, измерив F макс, массу снаряда m , высоту падения h и деформацию пружины x = l 1 + l 2 , вычисляем дальность полета снаряда и проверяем ее экспериментально. Опыт выполняем не менее двух раз, меняя упругость пружины, массу снаряда или высоту падения.

Глава III .

3.1. Приборы по законам сохранения энергии и импульса

Маятник Ньютона

Колыбель Ньютона (маятник Ньютона) — механическая система, названная в честь Исаака Ньютона для демонстрации преобразования энергии различных видов друг в друга: кинетической в потенциальную и наоборот. В отсутствие противодействующих сил (трения) система могла бы действовать вечно, но в реальности это недостижимо.Если отклонить первый шарик и отпустить, то его энергия и импульс передадутся без изменения через три средних шарика последнему, который приобретёт ту же скорость и поднимется на ту же высоту. По расчетам ньютона два шара диаметром по 30 см, расположенный на расстоянии 0,6 см, сойдутся под действием силы взаимного притяжения через месяц после начала движения (расчет производится при отсутствии внешнего сопротивления).Плотность шаров ньютон брал равной средней плотности земли: p 5*10^3 кг/м^3 .

На расстоянии l = 0.6 cм = 0,006 м между поверхностями шаров радиусом R = 15 см = 0,15 м на шары действует сила

F? = GM²/(2R+l)².При соприкосновении шаров на них действует сила

F? = GM²/(2R)². F?/F? = (2R)²/(2R+l)² = (2R/(2R+l))² = (0.3/(0.3 + 0.006))² = 0.996 ≈ 1 так что допущение справедливо.Масса шара равна:

М = ρ(4/3)пR³ = 5000*4*3,14*0,15³/3 = 70,7 кг.Сила взаимодействия равна

F = GM²/(2R)² = 6,67.10?¹¹.70.7²/0.3² = 3.70.10?? Н. Ускорение силы тяжести равно:a = F/M = 3.70.10??/70.7 = 5.24.10?? м/с².Путь:s = l/2 = 0.6/2 = 0.3 cм = 0,003 м шар пройдёт за время t равное t = √2S/a = √(2*0.003/5.24.10??) = 338 c = 5.6 мин.Так что Ньютон ошибся: похоже, что мячики сойдутся достаточно быстро - за 6 минут.

Маятник Максвелла

Маятник Максвелла представляет собой диск (1), туго насаженный на стержень (2), на который намотаны нити (3) (рис. 2.1). Диск маятника представляет собой непосредственно сам диск и сменные кольца, которые закрепляются на диске.При освобождении маятника диск начинает движение: поступательное вниз и вращательное вокруг своей оси симметрии. Вращение, продолжаясь по инерции в низшей точке движения (когда нити уже размотаны), приводить вновь к наматыванию нитей на стержень, а, следовательно, и к подъему маятника. Движение маятника после этого снова замедляется, маятник останавливается и снова начинает свое движение вниз и т.д.Ускорение поступательного движения центра масс маятника (а) может быть получено по измеренному времени t и проходимому маятником расстоянию h из уравнения. .Масса маятника m является суммой масс его частей (оси m0, диска mд и кольца mк):

Момент инерции маятника J также является аддитивной величиной и определяется по формуле

Где, - соответственно моменты инерции оси, диска и кольца маятника.

Момент инерции оси маятника равен,где r - радиус оси, m 0 = 0,018 кг - масса оси.Моменты инерции диска может быть найден как

Где R д - радиус диска, m д = 0,018 кг - масса диска.Момент инерции кольца рассчитывается по формуле средний радиус кольца, m к - масса кольца, b - ширина кольца.Зная линейное ускорение а и угловое ускорение ε(ε · r ), можно найти угловую скорость его вращения (ω ):,Полная кинетическая энергия маятника складывается из энергии поступательного перемещения центра масс и из энергии вращения маятника вокруг оси:

Заключение.

Законы сохранения образуют тот фундамент, на котором основывается преемственность физических теорий. Действительно, рассматривая эволюцию важнейших физических концепций в области механики, электродинамики, теории теплоты, современных физических теорий, мы убеждались в том, что в этих теориях неизменно присутствуют либо одни и те же классические законы сохранения (энергии, импульса и др.), либо наряду с ними появляются новые законы, образуя тот стержень, вокруг которого и идет истолкование экспериментальных фактов. «Общность законов сохранения в старых и новых теориях является еще одной формой внутренней взаимосвязи последних». Трудно переоценить роль закона сохранения импульса. Он является общим правилом, полученным человеком на основе длительного опыта. Умелое использование закона позволяет относительно просто решать такие практические задачи, как поковка изделий в кузнечном цехе, забивание свай при строительстве зданий.

Применение.

Наши соотечественники И. В. Курчатов, Л. А. Арцимович исследовали одну из первых ядерных реакций, доказали справедливость закона сохранения импульса в такого вида реакциях. В настоящее время управляемые цепные ядерные реакции решают энергетические проблемы человечества.

Литература

1. Всемирная энциклопедия

2. Дик Ю.И., Кабардин О.Ф. «Физический практикум для классов с углубленным изучением физики». Москва: «Просвещение», 1993 г.- стр. 93.

3.Кухлинг Х. Справочник по физике; пер.с нем.2е изд. М, Мир, 1985 г.- стр.120.

4. Покровский А.А. «Практикум по физике в средней школе». Москва: «Просвещение», 1973 г.-стр. 45.

5. Покровский А.А. «Практикум по физике в средней школе». Москва: издание 2е, «Просвещение», 1982 г.-стр.76.

6. Роджерс Э.«Физика для любознательных. Том 2.»Москва: «Мир», 1969 г.-стр.201.

7. Шубин А.С. «Курс общей физики». Москва: «Высшая школа», 1976 г.- стр.224.

Механической энергии.

Зависимости импульса от скорости движения двух тел. Масса какого тела больше и во сколько раз? 1) Массы тел одинаковы 2) Масса тела 1больше в 3,5 раза 3) Масса тела 2больше в 3,5 раза 4) По графикам нельзя сравнить массы тел

Движущийся со скоростью v, налетает на покоящийся пластилиновый шарик массой 2т. После удара шарики, слипшись, движутся вместе. Какова скорость их движения? 1) v/3 2) 2v/3 3) v/2 4) Для ответа не хватает данных

Движутся по прямолинейному железнодорожному пути со скоростями, зависимость проекций которых на ось, параллельную путям, от времени показана на рисунке. Через 20 с между вагонами произошла автосцепка. С какой скоростью, и в какую сторону поедут сцепленные вагоны? 1) 1,4 м/с, в сторону начального движения 1. 2) 0,2 м/с, в сторону начального движения 1. 3) 1,4 м/с, в сторону начального движения 2. 4) 0,2 м/с, в сторону начального движения 2.

Величина, показывающая, какую работу может совершить тело Совершенная работа – равна изменению энергии тела

Соответствии с уравнением x: = 2 + 30 t - 2 t2, записанным в СИ. Масса тела 5 кг. Какова кинетическая энергия тела через 3 с после начала движения? 1) 810 Дж 2) 1440 Дж 3) 3240 Дж 4) 4410 Дж

Деформированного тела

Этом совершается работа2 Дж. Какую следует совершить работу, чтобы растянуть пружину еще на 4 см. 1) 16 Дж 2) 4 Дж 3) 8 Дж 4) 2 Дж

Определить кинетическую энергию Ек, которую имеет тело в верхней точке траектории (см.рис.)? 1) EK=mgH 2) EK=m(V0)2/2 + mgh-mgH 3) EK=mgH-mgh 4) EK=m(V0)2/2 + mgH

Одинаковой начальной скоростью. Первый раз вектор скорости мяча был направлен вертикально вниз, второй раз - вертикально вверх, третий раз - горизонтально. Сопротивлением воздуха пренебречь. Модуль скорости мяча при подлете к земле будет: 1) больше в первом случае 2) больше во втором случае 3) больше в третьем случае 4) одинаковым во всех случаях

Фотография установки по исследованию скольжения каретки массой 40 г по наклонной плоскости под углом 30º. В момент начала движения верхний датчик включает секундомер. При прохождения кареткой нижнего датчика секундомер выключается. Оцените количество теплоты, которое выделилось при скольжении каретки по наклонной плоскости между датчиками.

Опускается из точки 1в точку 3 (рис.). В какой из точек траектории его кинетическая энергия имеет наибольшее значение? 1) В точке 1. 2) В точке 2. 3) В точке 3. 4) Во всех точках значения энергии одинаковы.

Поднимаются по противоположному его склону на высоту 2 м (до точки 2 на рисунке) и останавливаются. Масса санок 5 кг. Их скорость на дне оврага была равна 10 м/с. Как изменилась полная механическая энергия санок при движении из точки 1в точку 2? 1) Не изменилась. 2) Возросла на 100 Дж. 3) Уменьшилась на 100 Дж. 4) Уменьшилась на 150 Дж. 2