Główna zawartość
Fizyka - program rozszerzony I
Kurs: Fizyka - program rozszerzony I > Rozdział 5
Lekcja 6: Zasada zachowania energiiPrzegląd wiadomości na temat zasady zachowania energii
Przypomnij sobie, na czym polega zasada zachowania energii, co to jest energia mechaniczna i jak w bilansie energii uwzględnić pracę sił niezachowawczych. Tłumaczenie na język polski: fundacja Edukacja dla Przyszłości.
Pojęcia kluczowe
| Pojęcie lub termin (oznaczenie) | Wyjaśnienie |
|---|---|
| Zasada zachowania energii | Energii nie można zniszczyć, nie można jej także stworzyć. Energia może jedynie zmienić swoją postać lub przepłynąć z jednego układu do drugiego. W izolowanym układzie suma wszystkoch rodzajów energii jest stała, nie zmienia się w czasie. |
| Energia mechaniczna (E, start subscript, start text, m, end text, end subscript) | Suma energii kinetycznej i potencjalnej . W układzie SI jednostką energii jest dżul (start text, J, end text). |
| Zasada zachowania energii mechanicznej | Szczególny przypadek zasady zachowania energii. Jeśli na układ działają siły zachowawcze, to jego całkowita energia mechaniczna jest zachowana, nie zmienia się w czasie. |
| Energia termiczna | Energia wewnętrzna cząstek, z których zbudowane są ciała, stanowiące elementy układu, powiązana bezpośrednio z temperaturą. |
| Praca sił niezachowawczych (W, start subscript, start text, N, Z, end text, end subscript) | Praca wykonana przez siły niezachowawcze. Przykładem może być praca sił tarcia, która zamienia się na energię termiczną. W układzie SI jednostką pracy jest dżul (start text, J, end text). |
Równania
| Równanie | Wyjaśnienie symboli | Interpretacja fizyczna |
|---|---|---|
| E, start subscript, start text, m, end text, end subscript, equals, K, plus, U | E, start subscript, start text, m, end text, end subscript oznacza energię mechaniczną, K energię kinetyczną, a U energię potencjalną. | Energia mechaniczna jest sumą energii kinetycznej i potencjalnej. |
| K, start subscript, i, end subscript i U, start subscript, i, end subscript oznaczają początkową energię kinetyczną i potencjalną, a K, start subscript, f, end subscript i U, start subscript, f, end subscript kinetyczną i potencjalną energię końcową. delta, K i delta, U oznaczają zmiany energii kinetycznej i potencjalnej. | Sformułowanie zasady zachowania energii mechanicznej. W układzie, z którym działają siły zachowawcze całkowita energia mechaniczna jest zachowana. | |
| K, start subscript, i, end subscript i U, start subscript, i, end subscript oznaczają początkową energię kinetyczną i potencjalną, a K, start subscript, f, end subscript i U, start subscript, f, end subscript końcową energię kinetyczną i potencjalną. delta, K i delta, U oznaczają zmiany energii kinetycznej i potencjalnej, a W, start subscript, start text, N, Z, end text, end subscript oznacza pracę wykonaną nad układem przez siły niezachowawcze. | Zmiana całkowitej energii mechanicznej układu równa się pracy wykonanej nad układem przez siły niezachowawcze.. |
Jak zapisać równanie bilansu energii?
Równanie bilansu energii
jest prawdziwe w każdej sytuacji, ale jego forma może zależeć od danego problemu i sił oraz form energii, które są z nim związane. Zapisując równanie bilansu energii w konkretnych przypadku, warto wykorzystać te wskazówki:
- Zebrać dostępną informację. Zidentyfikować układ i zebrać dostępną informację na temat stanu poszczególnych jego elementów, pamiętając o tym, że energia potencjalna i praca są pojęciami, które mogą zależeć od więcej niż jednego elementu badanego układu.
- Określić stan początkowy i stan końcowy układu i przypisać im odpowiednio energię kinetyczną i potencjalną. Zasada zachowania energii pozwala zapisać jedno równanie bilansu energii, z którego można wyznaczyć jedną nieznaną wielkość.
- Energia potencjalna określona jest w całej przestrzeni z dokładnością do stałej, ponieważ znaczenie ma nie jej wartości w danym punkcie, a różnica energii potencjalnej między dwoma punktami. Warto wykorzystać tę swobodę i na przykład przypisać punktowi najniższej energii potencjalnej wartość zero. W przypadku jednorodnego pola grawitacyjnego oznaczać to będzie, że mierzymy wysokość od najniższego poziomu, którego wysokość ustalamy jako równą zero. W ten sposób z równania bilansu energii pozbywamy się jednego składnika.
- Jeśli w układzie działają tylko siły zachowawcze, albo przyjęcie takiego założenia jest dobrym przybliżeniem (przykładem są układy, w których można pominąć wpływ sił tarcia lub sił oporu), bilans energii zapisujemy w formie równania opisującego zachowanie energii mechanicznej układu:
K, start subscript, i, end subscript, plus, U, start subscript, i, end subscript, equals, K, start subscript, f, end subscript, plus, U_f
Jeśli siły niezachowawcze mają istotny wpływ na zachowanie się układu, do równania bilansu energii dodajemy człon pracy sił niezachowawczych W, start subscript, start text, N, Z, end text, end subscript:
- W równaniu można pominąć człony równe zero, na przykład energię kinetyczną elementów znajdujących się w stanie początkowym lub końcowym w spoczynku.
Często spotykane błędy i nieporozumienia
- W praktyce najczęściej porównujemy energię układu w początkowej i końcowej chwili danego procesu. W międzyczasie energia całkowita, choć pozostaje stała, może przyjmować różne formy i rozkładać się w różny sposób pomiędzy elementami układu.
Na przykład, przeanalizujmy co dzieje się z energią w przypadku, gdy puszczamy znajdującą się na pewnej wysokości piłkę na położoną pod nią sprężynę tak, jak na rysunku 1. W układzie składającym się z piłki poruszającej się w polu grawitacyjnym Ziemi i sprężyny, w chwili początkowej puszczamy piłkę (opis po lewej stronie), a w chwili końcowej piłka zatrzymuje się w najniższym punkcie (opis po prawej stronie). W chwili początkowej piłka ma energię potencjalną U, start subscript, g, end subscript, a sprężyna jest swobodna, a w chwili końcowej energia potencjalna piłki, liczona względem poziomu, na którym się zatrzymała, jest równa zero, natomiast sprężyna posiada energię potencjalną sprężystości U, start subscript, s, end subscript.
Zasada zachowania energii pozwala nam przyrównać początkową energię potencjalną piłki, liczoną względem poziomu, na którym się zatrzymała, do energii sprężystości maksymalnie ściśniętej sprężyny:
Wprawdzie piłka porusza się w trakcie tego procesu, ale jej energia kinetyczna w stanie początkowym i w stanie końcowym równa się zero.
- Czasem ktoś myli się, sądząc że zachowana jest energia danego obiektu. Całkowita energia jest zachowana, ale poszczególne elementy układu mogą ją sobie przekazywać w różnej formie.
An example of this would be pushing a friend on a sled. Your friend was initially at rest, but after the push he has kinetic energy. Your pushing force transferred energy to the friend.
Dowiedz się więcej
Aby dowiedzieć się więcej o zasadzie zachowania energii obejrzyj film na ten temat.
Jeśli chcesz sprawdzić, czy dobrze rozumiesz ten materiał, spróbuj wykonać ćwiczenia o interpretacji zasady zachowania energii i o opartych o nią obliczeniach.
Chcesz dołączyć do dyskusji?
Na razie brak głosów w dyskusji