Закон сохранения механической энергии | теория по физике 🧲 законы сохранения

В механике все силы делятся на две группы: консервативные и неконсервативные.

Консервативные силы

Консервативными, или потенциальными, называются такие силы, работа которых не зависит от траектории, а определяется только начальным и конечным положениями тела. Работа таких сил по перемещению тела по замкнутой траектории всегда равна нулю. Примеры потенциальных (консервативных) сил:

  • сила тяжести
  • сила упругости
  • гравитационная сила
Неконсервативные силы

Неконсервативными называются такие силы, работа которых зависит от траектории. Сама сила в этом случае зависит от модуля и направления вектора скорости. Работа таких сил может приводить к выделению тепла — часть механической энергии при этом превращается в тепловую. Примеры неконсервативных сил:

  • сила упругости
  • сила сопротивления среды

Полная механическая энергия — это сумма потенциальной и кинетической энергии тела в определенный момент времени:

E = Ek + Ep

Закон сохранения механической энергии

В замкнутой системе, в которой действуют консервативные силы, механическая энергия сохраняется.

E = const

Определение

Замкнутая система — это система, в которой тела, входящие в нее, взаимодействуют только друг с другом, а влиянием внешних сил можно пренебречь.

Согласно закону сохранения энергии, сумма потенциальной и кинетической энергии системы до взаимодействия тел равна сумме потенциальной и кинетической энергий системы после их взаимодействия:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep

Закон сохранения механической энергии для движения в поле тяжести Земли

Примеры определения полной механической энергии в начальном и конечном положении

Пример Полная механическая энергия в начальной точке (А) Полная механическая энергия в конечной точке (В)

Спуск по наклонной плоскости из состояния покоя

Высоту, на которой изначально находилось тело, можно рассчитать по формуле:

Подъем по наклонной плоскости

Высоту, на которую поднялось тело, можно рассчитать по формуле:

Груз на нити

Высоту, на которой изначально находилось тело, можно рассчитать по формуле:

Вертикальный выстрел из пружинного пистолета

Пример №1. Камень брошен вертикально вверх. В момент броска он имел кинетическую энергию, равную 30 Дж. Какую потенциальную энергию относительно поверхности земли будет иметь камень в верхней точке траектории полета? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Так как это условно замкнутая система (сопротивлением воздуха мы пренебрегаем), мы можем применить закон сохранения энергии:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep

Учтем, что в момент броска камень находился на поверхности земли. Поэтому он обладал максимальной кинетической энергией и нулевой потенциальной. Но в верхней точке траектории его скорость стала равна нулю. Поэтому его кинетическая энергия тоже стала равна нулю. Зато потенциальная энергия в этой точке возросла до максимума. Поэтому:

Ek0 + 0 = 0 + Ep

Ek0 = Ep

Следовательно, потенциальная энергия в верхней точки траектории полета равна 30 Дж.

Текст: Алиса Никитина, 12.5k 👀

Задание ЕГЭ-Ф-ДВ2023-30(1)

В маленький шар массой M = 230 г, висящий на нити длиной l = 50 см, попадает и застревает в нём горизонтально летящая пуля. Минимальная скорость пули υ0, при которой шар после этого совершит полный оборот в вертикальной плоскости, равна 120 м/с. Чему равна масса пули? Сопротивлением воздуха пренебречь. Обоснуйте применимость законов, используемых при решении задачи.

Алгоритм решения:

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Определить физические законы, которые можно применять для решения данной задачи. Обосновать возможность их использования.
3.Применить описанные законы в условиях данной задачи. Путем преобразования формул вывести искомую величину.
4.Подставить известные значения и произвести вычисления.

Решение:

Запишем исходные данные:

• Масса шара: M = 230 г.
• Длина нити, на которой висит шар: l = 50 см.
• Минимальная скорость пули, врезающейся в шар и застревающей в нем: v0 = 120 м/с.

Переводим единицы измерения величин в СИ:

M = 230 г = 0,23 кг

l = 50 см = 0,5 м

Систему отсчёта, связанную с Землёй, будем считать инерциальной. Тела считаем материальными точками.

Для описания взаимодействия пули и шара используем закон сохранения импульса системы тел. Он выполняется в инерциальной системе отсчёта, если сумма внешних сил, приложенных к телам системы, равна нулю. В данном случае проекции внешних сил (силы тяжести и силы натяжения нити) на горизонтальную ось в момент взаимодействия равны нулю. Следовательно, можно использовать закон сохранения импульса в проекциях на эту ось.

Для дальнейшего движения шара с застрявшей в нём пулей будет справедлив закон сохранения механической энергии, поскольку сопротивлением воздуха по условию задачи можно пренебречь, а единственная неконсервативная сила, действующая на шар, – сила натяжения нити – не совершает работы при движении шара по окружности, поскольку она всюду перпендикулярна скорости движения шара.

Условие минимальности v0 означает, что шар совершает полный оборот в вертикальной плоскости, но при этом натяжение нити в верхней точке (и только в ней) равен 0.

Применим закон сохранения импульса, согласно которому сумма импульсов всех сил в системе не меняется до и после их взаимодействия. Следовательно:

Так как начальная скорость V шара равна нулю:

Скорость v — скорость движения шара и пули, которые после столкновения движутся как единое тело с массой M + m.

Теперь применим закон сохранения энергии. Учитываем, что в момент столкновения система тел имела максимальную скорость, а соответственно — максимальную кинетическую энергию. Также учитываем, что в верхней точке движения кинетическая энергия системы тел была меньше за счет уменьшения скорости, но не была нулевой. Также в верхней точке траектории система тел обладала максимальной потенциальной энергией. Запишем это так:

Максимальная кинетическая энергия системы тел будет равна:

Кинетическая энергия в верхней точке:

v1 — скорость системы тел в верхней точке.

Потенциальная энергия равна произведению массы системы тел на ускорение свободного падения и на высоту, на которой находится система в верхней точке — h. Эта высота равна удвоенной длине нити:

Тогда закон сохранения энергии принимает вид:

Также применим законы Ньютона к системе тел в верхней точке траектории. С одной стороны, на нее действует сила тяжести Fтяж=(M+m)g. С другой — центробежная сила — FЦ=(M+m)v21l... В знаменателе используем длину нити, так как она в данном случае равна радиусу окружности, по которой происходит движение системы тел.

Модули этих сил равны. Следовательно:

Или:

Отсюда выразим квадрат скорости в верхней точке:

Подставляем это выражение в закон сохранения энергии:

Или:

Подставляем эту скорость в закон сохранения импульса и выразим из него массу пули:

Подставляем известные значения и находим массу пули:

Ответ: 0,01

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF19083

Шарик массой 100 г падает с высоты 100 м с начальной скоростью, равной нулю. Чему равна его кинетическая энергия в момент перед падением на землю, если потеря энергии за счёт сопротивления воздуха составила 20 Дж?

Алгоритм решения

  1. Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
  2. Записать закон сохранения механической энергии.
  3. Записать закон сохранения применительно к задаче.
  4. Выполнить общее решение.
  5. Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

  • Масса шарика: m = 100 г.
  • Высота, с которой начал падать шарик: h = 100 м.
  • Энергия, потерянная за счет сопротивления воздуха: Q = 20 Дж.

100 г = 0,1 кг

Закон сохранения механической энергии для замкнутой системы:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep = const

Согласно условию задачи, система не является замкнутой, так как на шарик действует сила сопротивления воздуха. Поэтому закон сохранения энергии примет вид:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep + Q

Шарик начал падать из состояния покоя, поэтому начальная кинетическая энергия равна нулю. В момент приземления кинетическая энергия максимальная, а потенциальная равна нулю. Поэтому:

Ep0 = Ek + Q

Потенциальная энергия определяется формулой:

Ep0 = mgh

Следовательно:

mgh = Ek + Q

Отсюда кинетическая энергия шарика в момент перед падением на землю равна:

Ek = mgh – Q = 0,1∙10∙100 – 20 = 80 (Дж)

Ответ: 80

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17731

Какой из графиков, приведённых на рисунке, показывает зависимость полной энергии Е тела, брошенного под углом к горизонту, от его высоты h над Землёй? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Алгоритм решения

  1. Записать закон сохранения энергии.
  2. Установить зависимость полной механической энергии от высоты.
  3. Найти тип графику, соответствующий выявленной зависимости.

Решение

Запишем закон сохранения механической энергии:

E = const

Полная механическая энергия тела равна:

E = Ek + Ep

Исходя из закона, сумма потенциальной и кинетической энергии в начальный момент движения тела равно сумме потенциальной и кинетической энергии в конечный момент времени:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep

Так как полная механическая энергия не меняется с течением времени, ее графиком должна быть прямая, параллельная оси времени. Поэтому верный ответ — а.

Ответ: а

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF22589

Тело, брошенное вертикально вверх от поверхности Земли, достигло максимальной высоты 20 м. С какой начальной скоростью тело было брошено вверх? Сопротивлением воздуха пренебречь.

Ответ:

а) 4,5 м/с

б) 10 м/с

в) 20 м/с

г) 40 м/с


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Записать закон сохранения механической энергии.
3.Записать закон сохранения применительно к задаче.
4.Выполнить общее решение.
5.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Из условия задачи известна только высота h = 20 м.

Закон сохранения механической энергии для замкнутой системы:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep = const

Тело изначально находилось на поверхности Земли, поэтому его начальная потенциальная энергия равна нулю. Но кинетическая энергия в момент броска была максимальной. В верхней точке траектории скорость тела нулевая, поэтому кинетическая тоже равна нулю. Но потенциальная энергия в этот момент времени максимальна.

Поэтому:

Ek0 = Ep

Кинетическая и потенциальная энергии определяются формулами:

Приравняем их:

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF17696

Если многократно сжимать пружину, то она нагревается. Это можно объяснить тем, что

Ответ:

а) потенциальная энергия пружины переходит в кинетическую

б) кинетическая энергия пружины переходит в потенциальную

в) часть работы внешних сил переходит во внутреннюю энергию пружины

г) пружина нагревается в процессе ударов молекул воздуха о частицы вещества пружины


Алгоритм решения

  1. Сформулировать закон сохранения механической энергии.
  2. Установить причины нагревания пружины.

Решение

Закон сохранения механической энергии формулируется так: «Полная механическая энергия замкнутой системы постоянна».

Замкнутая система — эта система, составные элементы которой действуют только друг с другом, и внешние силы на систему не действуют. Но если пружину сжимать и разжимать много раз, то пружина не будет являться замкнутой системой. Поэтому закон сохранения энергии в ней не сохраняется. Но ни потенциальная, ни кинетическая энергии, ни их превращение друг в друга не вызывает нагревания. К этому может привести только воздействие внешней силы, часть которой переходит во внутреннюю.

Верный ответ — в.

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18127

Небольшие шарики, массы которых m = 30 г и M = 60 г, соединены лёгким стержнем и помещены в гладкую сферическую выемку.

В начальный момент шарики удерживаются в положении, изображённом на рисунке. Когда их отпустили без толчка, шарики стали скользить по поверхности выемки. Максимальная высота подъёма шарика массой М относительно нижней точки выемки оказалась равной 12 см. Каков радиус выемки R?


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Сделать чертеж конечного положения шариков. Обозначить их высоты, выбрать нулевой уровень отсчета потенциальной энергии. Выбрать систему координат.
3.Записать закон сохранения энергии.
4.Выполнить общее решение задачи.
5.Подставить известные данные и выполнить вычисление искомой величины.

Решение

Запишем исходные величины:

• Масса первого шарика: m = 30 г.
• Масса второго шарика: M = 60 г.
• Максимальная высота подъема шарика М: H = 12 см.

Переведем единицы измерения величин в СИ:

30 г = 0,03 кг

60 г = 0,06 кг

12 см = 0,12 м

Выполним чертеж:

Нулевой уровень — нижняя точка выемки.

Запишем закон сохранения энергии:

Ek0 + Ep0 = Ek + Ep = const

В начальном положении кинетическая энергия обоих шариков равна 0. Потенциальная энергия шарика М тоже равна нулю, так как он находится на нулевом уровне. Потенциальная энергия шарика m равна:

Ep0m = mgR

Кинетическая энергия шариков после установления равновесия тоже будет равна нулю. Но b[ потенциальная энергия будет отличной от нуля:

Epm = mgh

EpM = MgH

Поэтому закон сохранения энергии применительно к задаче примет вид:

mgR = mgh + MgH

Преобразуем выражение и получим:

mgR−mgh=MgH

R−h=MgHmg..=MHm..

При движении гантели по поверхности выемки высоты подъема большого и малого шаров связаны. Рассмотрим прямоугольные треугольники OmA и OMB. Для них справедливы следующие равенства:

MB = mA = R – h

OA = OB = R – H

OM = Om = R

Это дает нам право воспользоваться теоремой Пифагора:

(R−h)2=R2−OA2=R2−(R−H)2

Следовательно:

(R−h)2=R2−(R2−2RH+H2)=2RH−H2

Подставим в это выражение правую часть ранее полученного выражения:.

R−h=MHm..

(MHm..)2=2RH−H2

Теперь можем выразить и вычислить радиус:

2RH=(MHm..)2+H2

R=(MHm..)2+H22H..

R=(Mm..)2H2..+H2..=(0,060,03..)20,122..+0,122..=0,3 (м)

.

.

Ответ: 0,3

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18087

Шайба массой m, скользящая по гладкой горизонтальной поверхности, налетает на лежащую неподвижно на той же поверхности шайбу массой 3m такого же размера. После частично неупругого удара первая шайба остановилась. Какова была кинетическая энергия первой шайбы до удара, если при ударе выделилось количество теплоты Q?

Ответ:

а) 3Q/2

б) 2Q

в) 9Q/2

г) 8Q


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные.
2.Записать закон сохранения импульса.
3.Записать закон сохранения энергии с учетом выделения тепла при ударе.
4.Выполнить решение в общем виде.
5.Выразить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• Масса первой шайбы: m.
• Масса второй шайбы: 3m.
• Количество выделенной теплоты при ударе: Q.

До удара двигалась только первая шайба, вторая покоилась, поэтому импульс второй шайбы равен нулю. После удара первая шайба остановилась, поэтому ее импульс стал равен нулю. Но начала двигаться вторая шайба. Поэтому закон сохранения импульса при ударе примет вид:

mv=3mV

Отсюда скорость второй шайбы равна v/3.

Запишем закон сохранения энергии с учетом того, что при ударе выделилось тепло:

Ek1=Ek2+Q

Кинетическую энергию второй шайбы можно выразить как доля от кинетической энергии первой шайбы, а также как произведение половинной массы на половинный квадрат:

Ek2=Ek1x=3mV22..=3mv22·9..

x — доля кинетической энергии второй шайбы от кинетической энергии первой шайбы.

Кинетическая энергия первой шайбы равна:

Ek1=mv22..

Теперь можем выразить x:

3mv22·9..=mv22..x

x=13..

Следовательно, на кинетическую энергию второй шайбы ушла 1/3 часть кинетической энергии первой шайбы, а в виде тепла выделилось 2/3 этой энергии. Отсюда:

Q=23..Ek1

Ek1=32..Q

Ответ: а

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

Задание EF18122

Летящая горизонтально со скоростью 20 м/с пластилиновая пуля массой 9 г попадает в груз неподвижно висящий на нити длиной 40 см, в результате чего груз с прилипшей к нему пулей начинает совершать колебания. Максимальный угол отклонения нити от вертикали при этом равен α = 60°. Какова масса груза?

Ответ:

а) 27 г

б) 64 г

в) 81 г

г) 100 г


Алгоритм решения

1.Записать исходные данные и перевести единицы измерения величин в СИ.
2.Сделать чертеж, отобразив начальное, промежуточное и конечное положение тел.
3.Записать закон сохранения импульса для момента столкновения и закон сохранения механической энергии для момента максимального отклонения нити от положения равновесия.
4.Выполнить решение задачи в общем виде.
5.Подставить известные данные и вычислить искомую величину.

Решение

Запишем исходные данные:

• Масса пластилиновой пули: m = 9 г.
• Скорость пластилиновой пули: v = 20 м/с.
• Длина нити: l = 40 см.
• Максимальный угол отклонения нити: α = 60°.

Переведем единицы измерения величин в СИ:

Сделаем чертеж:

Нулевой уровень — точка А.

После неупругого столкновения пули с грузом они начинают двигаться вместе. Поэтому закон сохранения импульса для точки А выглядит так:

mv=(m+M)V

После столкновения система тел начинается двигаться по окружности. Точка В соответствует верхней точке траектории. В этот момент скорость системы на мгновение принимает нулевое значение, а потенциальная энергия — максимальное.

Закон сохранения энергии для точки В:

(m+M)V22..=(m+M)gh

V22..=gh

Высоту h можно определить как произведение длины нити на косинус угла максимального отклонения. Поэтому:

V=√2glcos.α

Подставим это выражение в закон сохранения импульса для точки А и получим:

Выразим массу груза:

Ответ: в

pазбирался: Алиса Никитина | обсудить разбор

ЕГЭ по физике

Вся теория

Механическое движение и его характеристики • Равномерное прямолинейное движение • Относительность механического движения • Неравномерное движение и средняя скорость • Ускорение при равноускоренном прямолинейном движении • Скорость при равноускоренном прямолинейном движении • Перемещение и путь при равноускоренном прямолинейном движении • Уравнение координаты при равноускоренном прямолинейном движении • Движение тела с ускорением свободного падения • Движение тела, брошенного горизонтально • Движение тела, брошенного под углом к горизонту • Движение по окружности с постоянной по модулю скоростью • Законы Ньютона. Динамика. • Гравитационные силы. Закон всемирного тяготения. • Сила упругости и закон Гука • Сила трения • Вес тела • Применение законов Ньютона • Движение связанных тел • Динамика движения по окружности с постоянной по модулю скоростью • Импульс тела, закон сохранения импульса • Механическая работа и мощность • Механическая энергия и ее виды • Применение закона сохранения энергии • Момент силы и правило моментов • Правило моментов при решении задач • Давление твердого тела • Давление в жидкостях и газах. Закон Паскаля. • Сообщающиеся сосуды • Архимедова сила • Основные положения МКТ и агрегатные состояния вещества • Основное уравнение МКТ идеального газа • Уравнение состояния идеального газа • Объединенный газовый закон и изопроцессы • Закон Дальтона • Испарение и конденсация, влажность воздуха • Внутренняя энергия вещества и способы ее изменения • Фазовые переходы и уравнение теплового баланса • Внутренняя энергия и работа идеального газа • Первое начало термодинамики • Тепловые машины и второе начало термодинамики • Электрический заряд. Закон Кулона • Электрическое поле и его характеристики • Электростатическое поле точечного заряда и заряженной сферы • Принцип суперпозиции сил и полей • Однородное электростатическое поле и его работа • Конденсаторы • Электрический ток и закон Ома • Амперметр и вольтметр. Правила включения. • Последовательное и параллельное соединение • Полная цепь • Работа и мощность электрического тока • Электрический ток в жидкостях, в полупроводниках, в вакууме, в газах • Магнитное поле и его характеристики • Принцип суперпозиции магнитных полей • Сила Ампера • Сила Лоренца • Электромагнитная индукция и магнитный поток • Правило Ленца • Закон электромагнитной индукции • Самоиндукция • Энергия магнитного поля тока • Механические колебания • Гармонические колебания • Электромагнитные колебания • Переменный электрический ток • Конденсатор, катушка и резонанс в цепи переменного тока • Механические волны • Механические волны в сплошных средах. Звук. • Электромагнитные волны • Cвет. Скорость света. Элементы теории относительности. • Отражение и преломление света. Законы геометрической оптики. • Линза. Виды линз. Фокусное расстояние. • Построение изображения в линзе • Формула тонкой линзы • Дисперсия света • Интерференция света • Дифракция света • Линейчатые спектры • Фотоэффект • Фотоны • Планетарная модель атома • Постулаты Бора • Радиоактивность • Нуклонная модель атома • Ядерные реакции • Элементы астрофизики •