Приборы, демонстрирующие закон сохранения механической энергии

Физику мы изучаем третий год. Этот предмет отличается от других предметов тем, что на уроках при объяснении физических явлений и законов учитель не ограничивается рассказом и показом иллюстраций в учебнике, а с помощью различного оборудования демонстрирует физические явления и законы. Демонстрации опытов всегда вызывают интерес у учащихся, и помогают лучше понять новый материал. Но как оказалось впоследствии, физические приборы используются не на всех уроках. Причина оказалось простой – в кабинете нет необходимого оборудования.

Своей работой я решил немного улучшить эту ситуацию и пополнить кабинет физики двумя новыми приборами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Что такое энергия

Если тело или несколько взаимодействующих между собой тел могут совершить работу, то говорят, что они обладают энергией.

Энергия – физическая величина, показывающая, какую работу может совершить тело или несколько тел.

Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. Очень легко взять ручку со стола. Мы даже не замечаем затраченной энергии. Но вот поднять мешок с картошкой уже труднее, нужно приложить большую силу, а значит, и энергии надо затратить больше. Еще больше энергии надо затратить для подъема многотонной плиты, например на пятый этаж строящегося дома.

При совершении работы энергия тел изменяется. Совершенная работа равна изменению энергии.

Потенциальной энергией называется энергия, которая определяется взаимным положением взаимодействующих тел или частей одного и того же тела. Потенциальной энергией, например, обладает тело, поднятое относительно поверхности Земли; всякое упругое деформированное тело (пружина). Потенциальную энергию сжатого газа используют в работе тепловых двигателей, в отбойных молотках и т. д.

Энергия, которой обладает тело вследствие своего движения, называется кинетической энергией. Кинетической энергией, например, обладают ветер, вода и любое движущееся тело. Чем больше масса и скорость, с которой тело движется, тем большим запасом кинетической энергии это тело обладает.

Все разнообразные виды энергии вокруг нас могут быть преобразованы в любые другие виды энергии. Такое превращение можно часто наблюдать в природе, технике, быту. Например, при падении воды с плотины ее потенциальная энергия превращается в кинетическую. Превращение одного вида энергии в другой происходит также при ударе двух каких-нибудь упругих тел, например, при ударе резинового мяча о пол. Потенциальная энергия любых тел, которые могут упасть, во время падения превращается в

2 кинетическую энергию. Явления природы обычно сопровождаются превращением одного вида энергии в другой. А людям просто необходимо преобразовывать один вид энергии в другой, чтобы выполнять различные работы.

2. Использование энергии человеком.

Ископаемые виды топлива загрязняют окружающую среду, поэтому человек всегда стремился использовать энергию движущейся воды и ветра. Вода обладает огромной потенциальной энергией. Кинетическая энергия воды используется людьми уже несколько тысяч лет. Самый простейший и древний двигатель – водяное колесо. Люди научились его строить более 2 тысяч лет назад. Колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы. Также люди научились использовать силу ветра для вращения ветряных мельниц, размалывающих зерно в муку.

В средние века на Ближнем Востоке использовали энергию воды - на реках и ручьях строились водяные мельницы. При этом использовали три типа водяных колёс: либо горизонтальное, либо одно из вертикальных -подливное или верхнебойное. На горизонтальном колесе были закреплены лопатки, отходящие от деревянного ротора, на который направлялась струя воды. Вертикальные колёса обеспечивали большую мощность. Подливное колесо – это, как правило, лопатное колесо, приводимое во вращение поток воды снизу. Верхнебойное колесо приводилась во вращение падающей сверху водой, которая часто поступала по специальному жёлобу или каналу. В засушливые периоды, когда уровень воды в реке падал, подливное колесо теряло часть своей мощности, а если оно было укреплено на берегах реки, то его лопасти могли оказаться выше уровня воды. Чтобы избежать этого, подливные колёса часто устанавливали на боках мостов там, где глубина больше.

В Х веке в Верхней Месопотамии на реках Тигр и Евфрат огромные мельницы из тика производили за сутки до 10т. муки. Мельницы использовались не только для размола зерна, но и для дробления руд, шелушения риса, измельчение сахарного тростника. Для этих целей на вал колёса насаживали кулачки, которые приводили в движение рычажный молот для обработки того или иного материала. Для поднятия и опускания водонапорного желоба был изобретён кривошипный механизм.

Наиболее совершенные гидравлические двигатели – водяные турбины. В таких турбинах вода отдает энергию колесу, приводя в движение лопасти турбины. А рабочее колесо турбины соединено с валом электрического генератора.

Разумеется, мусульмане использовали и энергию ветра. Не удивитель-но, что ветряные мельницы были изобретены в начале 7-ого века в том районе, где отсутствовали реки. Этим районом был Сейстан (ныне западная часть Афганистана). Ветряные мельницы устанавливались на специальных опорах, в башнях дворцов и на вершинах холмов. Они состояли из верхнего отсека, где размещались жернова, и нижнего, где находился ротор. К

3 вертикальной оси прикреплялись 12 или 6 лопастей. Поток воздуха, попадая в вентиляционные отверстия, выполненные в форме воронок, приводил ротор во вращение. Этот тип ветряной мельницы распространился по всему исламскому миру, а затем был принят в Китае и Индии.

Энергия воды

Энергию воды используют на протяжении многих веков. В наши дни построены огромные плотины и водохранилища, и вода применяется для выработки электроэнергии. Течение реки вращает колеса турбин, связанных с генератором, превращая энергию воды в электроэнергию. Гидроэлектростанции вырабатывают свыше 6% всей энергии, потребляемой сегодня в мире.

Плотина гидроэлектростанции препятствует свободному стоку воды, заставляет ее подниматься, увеличивая потенциальную энергию воды. Для сооружения воды выбирается такое место, где ее высота может быть наибольшей. От высоты плотины зависит энергия, запасенная водой. У основания плотины, где давление воды наибольшее устанавливаются турбины. Поток воды движется с большой скоростью и обладает большой кинетической энергией. В генераторе кинетическая энергия потока воды преобразуется в энергию электрического поля.

Самый большой и неисчерпаемый источник энергии на Земле – это океаны. Огромные массы воды перемещаются под влиянием ветра и притяжения Луны. В океане существует два типа движения – постоянный бег волн и периодические приливы и отливы. Океанские течения и ветры обладают огромной энергией. Для выработки энергии из непрестанного движения волн служат турбинные генераторы. Бетонная камера, построенная на берегу, открыта со стороны моря или океана, и уровень воды внутри нее колеблется вверх и вниз с каждой набегающей волной. Воздух, находящийся над поверхностью воды, то сжимается, то расширяется, приводя в движение турбину, которая соединена с генератором. Энергия движения волн впервые была использована около 20 лет назад в Японии.

Приливные электростанции добывают энергию из колебаний уровня воды между приливами и отливами. Их строят в устьях рек и бухтах. Во время прилива вода течет сквозь водопропускные отверстия в бассейн позади плотины. Когда уровни воды сравняются, затвор закрывают, и напор воды нарастает. При отливе вода стекает обратно в океан, вращая турбины, соединенные с генераторами. Первая приливная электростанция была построена в 1966 году на реке Ранс во Франции. Она производит энергию, которой хватает городу с населением в 300000 жителей. Энергия приливов и отливов – экологически чистая энергия. Её используют в приливных электростанциях (ПЭС). В нашей стране действуют пять приливных электро- станций. Самая мощная из них Мезенская ПЭС, расположенная в Мезенском заливе на побережье Белого моря. Высота её плотины 6 м, длина 93 м. На ней

4 установлено 800 гидротурбин. Мощность этой приливной электростанции 15200 МВт.

Запас потенциальной энергии приливов во всём мире равен 6,381016 кДж в год. Это равноценно энергии, выделяющейся при сгорании 2 млрд. т каменного угля.

Энергия ветра

Механическая энергия рек не единственный источник для получения электрической энергии. Электрическую энергию можно получать, используя энергию ветра. Энергия ветра используется человеком уже не первое тысячелетие. Ветер надувал паруса и вращал мельницы. Для использования энергии ветра создавались самые разнообразные устройства, предназначенные для выработки электроэнергии и для других целей. Ветряные двигатели не загрязняют окружающую среду, но они очень громоздкие и шумные. Чтобы с их помощью производить много электроэнергии, необходимы огромные пространства земли.

Ветроэнергетика начала серьезно развиваться в начале нашего столетия, однако действительный к ней интерес появился сравнительно недавно. В нашей стране исследования начали проводиться в 20-х годах. В 1931 году была построена самая крупная по тем временам ВЭС мощностью 100 кВт с диаметром крыльчатки 30 м. Сейчас наиболее широко энергия ветра используется в США, Дании, Швеции. Однако стоимость энергии, полученной на ВЭС, пока еще выше, чем произведенная на ГЭС, не решены и некоторые экологические проблемы.

Ветровые установки очень просты. Они состоят из турбин с лопастями, ориентирующимися по ветру, и генератора, соединенного с осью турбины. Современные ветрогенераторы имеют двух- или трехлопастные пропеллеры диаметром от 20 до 60 м. Движущиеся массы воздуха оказывают давление на наклонные лопасти, и приводят их в движение. Вращение винта через вал передается на увеличитель оборотов, а от него на электрогенератор. Эта система на высокой мачте поднимается над поверхностью Земли.

В любой стране много районов, где дуют устойчивые ветры и можно получать значительную часть энергии, преобразуя механическую энергию ветра. Ветряные фермы встречаются все чаще и чаще. Их строят на возвышенностях, открытых равнинах, прибрежных холмах или даже в открытом море. Ветряные фермы обеспечивают энергией небольшие населенные пункты или включаются в местную электросеть.

В нашей стране ветряные фермы используют там, где ветры дуют часто и сильно. Это в Поволжье, на Алтае. Такие установки там эффективно работают 200 - 300 дней в году. Удобно их использовать также в отдаленных районах, куда не поступает энергия от гидроэлектростанций, куда трудно подвозить другие виды топлива. Так на практике человек использует превращение различных видов энергии. Приборы, представленные в данной работе, помогут наглядно показать взаимное превращение двух видов

5 механической энергии: потенциальной и кинетической.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ

К каждому прибору мной составлен паспорт, который содержит назначение, устройство прибора и руководство по его эксплуатации. Сделаны фотографии данных приборы, также были выполнены теоретические расчеты , проведены простые исследования, результаты которых представлены в виде таблицы.

Центробежная дорога

Назначение прибора.

Действие прибора основано на превращении потенциальной энергии шара в кинетическую и наоборот.

Технические данные.

1. Габариты прибора не более 380 130610 мм.

2. Масса прибора не более 1,5 кг.

Комплектность.

1. Изделие в сборе. 1 шт.

2. Металлический шар5 шт.

Устройство прибора.

Прибор представляет собой основание ( 380(130 мм), на котором на двух стойках закреплена свёрнутая из пластиковой полосы (1490( 40 мм) петля. Диаметр петли 215 мм, высота жёлоба 610 мм. По жёлобу пускается металлический шар диаметром около 20 мм. (Приложение I).

Работа с прибором.

Если по желобу пустить металлический шар, он, наберет скорость и прокатится по дороге, описав петлю. Чтобы шар не упал, необходимо определить минимальную начальную высоту, с которой он должен скатываться. Ее можно определить сначала теоретически, затем результат проверить опытным путем.

Самодвижущая тележка

Назначение прибора.

Прибор позволяет продемонстрировать переход потенциальной энергии тела, поднятого на высоту, в кинетическую энергию движения тележки.

Технические данные.

1. Габариты прибора не более мм, 295140360.

2. Масса прибора не более кг, 0,47.

Комплектность.

3. Изделие в сборе. 1 шт.

4. Груз. 1 шт.

Устройство прибора.

Прибор состоит из тележки (1), на которой укрепляется высокая стойка ( 2 ), через которую перекинута нить (3) с закреплённым на конце грузом массой

1 кг (4). (Приложение II)

Работа с прибором.

Свободный конец нити путём принудительного движения тележки наматывается на заднюю ось так, чтобы груз поднялся на максимальную высоту. Когда тележку отпускают, груз начинает опускаться, а тележка - двигаться. Дальность движения тележки зависит от потенциальной энергии цилиндра, т. е. от его массы и высоты подъема. Под действием силы тяжести груз начинает опускаться вниз, приводя в движение тележку. Высота стойки выбрана произвольно, а масса груза была определена опытным путем.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Хранение и эксплуатация данных приборов не представляют трудностей. Хранить приборы необходимо в сухом и прохладном помещении и не допускать их деформации. После длительного хранения у самодвижущейся тележки желательно смазывать машинным маслом колёсики. Если возникнет необходимость в замене груза, подвешенного к стойке, то масса нового груза не должна превышать указанной массы во избежание переворачивания тележки.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

При работе с центробежной дорогой я поставил перед собой следующие задачи:

1. Определить наименьшую высоту, с которой тело должно начать движение, чтобы оно, не выпадая, сделало полный оборот.

2. Выяснить, зависит ли эта высота от массы шариков.

Результаты приводятся ниже.

Рассчитаем теоретически минимальную начальную высоту.

Пусть R - радиус петли (приложение III, рис. 1); h- минимальная высота, с которой шар начинает двигаться; m- масса шара.

Согласно закону сохранения механической энергии

, отсюда.

Выразим из этой формулы h : (1).

По второму закону Ньютона, равнодействующая сил, действующая на шар, находящийся в верхней точке петли равна сумме сил тяжести и силы реакции опоры:.

Направим ось ОY вертикально вниз и запишем данную формулу для проекций: (2).

Шар внутри петли движется по окружности, т. е. движется с центростремительным ускорением, которое выражается формулой.

Подставив данную формулу в формулу (2), получим:.

В предельном случае, шар пролетает верхнюю точку, лишь касаясь петли, значит N=0 и следовательно получаем:

Подставив формулу (3) в формулу (1) получили, что

Из полученной формулы следует, что каков бы ни был радиус петли, минимальная начальная высота не должна быть меньше двух с половиной радиусов. Для нашего прибора эта высота составила

Из этой же формулы видно, что hмин не зависит от массы шара.

Опытная проверка показала, что начальная высота действительно не зависит от массы шара. Все пять шаров разной массы, которые мы взяли для исследования, дали одинаковый результат. Но этот результат значительно расходится с теоретическим: hмин = 0,47м, что в 4,5 раза больше радиуса. Необходимо уточнить, что при расчетах не учитывалась сила трения и небольшая деформация, которой подвергается пластмассовая полоса во время движения шара.

Эта работа носит практический характер, так как в ходе работы над данным проектом кабинет физики пополнился ещё двумя приборами. С их помощью можно демонстрировать переход одного вида механической энергии в другой на уроках физики в 7-х и 9-х классах при изучении тем «Механическая энергия» и «Закон сохранения механической энергии». С помощью этих приборов можно так же проводить простые исследования. Кроме того, эту работу можно рассматривать как источник дополнительных сведений об использовании человеком различных видов механической энергии.

Физика отличается от других предметов тем, что на уроках при объяснении физических явлений и законов учитель не ограничивается рассказом и показом иллюстраций в учебнике, а с помощью различного оборудования демонстрирует физические явления и законы. Демонстрации опытов всегда вызывают интерес у учащихся, и помогают лучше понять новый материал. Но как оказалось впоследствии, физические приборы используется не на всех уроках. Причина оказалось простой – в кабинете нет необходимого оборудования.

Своей работой я решил немного улучшить эту ситуацию и пополнить кабинет физики еще двумя приборами.

ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ

Все разнообразные виды энергии вокруг нас могут быть преобразованы в любые другие виды энергии. Такое превращение можно часто наблюдать в технике, быту. Например, при падении воды с плотины ее потенциальная энергия превращается в кинетическую. Явления природы так же обычно сопровождаются превращениями энергии. А людям просто необходимо преобразовывать один вид энергии в другой, чтобы выполнять различные работы.

Человек всегда стремился использовать энергию движущейся воды и ветра. Кинетическая энергия воды используется людьми уже несколько тысяч лет. Самый простейший и древний двигатель – водяное колесо. Колеса перекачивали и поднимали воду или приводили в действие различные механизмы, например жернова мельниц. В наши дни построены огромные плотины и водохранилища, и потенциальная энергия воды применяется для выработки электроэнергии на гидроэлектростанциях.

Самый большой и неисчерпаемый источник энергии на Земле – это океаны. Огромные массы воды перемещаются под влиянием ветра и притяжения Луны. Для выработки энергии из непрестанного движения волн служат турбинные генераторы приливных электростанций.

Не первое тысячелетие человек использует и механическую энергию ветра. Для использования энергии ветра создавались самые разнообразные устройства, предназначенные для выработки электроэнергии и для других целей. Но серьезно ветроэнергетика начала развиваться лишь в начале нашего столетия. Ветряные фермы сейчас встречаются все чаще и чаще. Они обеспечивают энергией небольшие населенные пункты или включаются в местную электросеть.

Так человек на практике использует превращение различных видов механической энергии. Приборы, представленные в данной работе, помогут наглядно показать взаимное превращение двух видов механической энергии: потенциальной и кинетической.

ОПИСАНИЕ ПРИБОРОВ

К каждому прибору мной составлен паспорт, который содержит назначение, устройство прибора и руководство по его эксплуатации. Сделаны фотографии данных приборы, также были выполнены теоретические расчеты , проведены простые исследования, результаты которых представлены в виде таблицы.

Центробежная дорога

Действие прибора основано на превращении потенциальной энергии шара в кинетическую и наоборот.

Дорога представляет собой основание, на котором на двух стойках закреплена свёрнутая из пластмассовой полосы петля, соединенная с желобом. Если по желобу с определенной высоты пустить металлический шар, он, наберет скорость и прокатится по дороге, описав петлю.

Самодвижущая тележка

Для создания прибора я использовал тележку, металлическую стойку, груз , крепкую нить. Свободный конец нити путём принудительного движения тележки наматывается на заднюю ось так, чтобы груз поднялся на максимальную высоту. Когда тележку отпускают, груз начинает опускаться, а тележка - двигаться. Таким образом, прибор позволяет продемонстрировать переход потенциальной энергии тела, поднятого на высоту, в кинетическую энергию движения тележки.

Эта работа носит практический характер, так как в ходе работы над данным проектом кабинет физики пополнился ещё двумя приборами. С их помощью можно демонстрировать переход одного вида механической энергии в другой на уроках физики в 7-х и 9-х классах при изучении тем «Механическая энергия» и «Закон сохранения механической энергии».