Методическая Разработка Урока " Механическая работа. Мощность. Механическая энергия. Закон сохранения механической энергии." Раздел: Механика. Класс 10

Методическая разработка  урока  по дисциплине  «физика»

Тема: Работа. Мощность. Механическая  Энергия. Закон сохранения механической энергии.

План:

1.Определение механической работы.  Единицы измерения работы.

2.Мощность силы. Единицы измерения мощности.

3.Кинетическая энергия. Изменение кинетической энергии.

4.Потенциальная энергия.  Изменение потенциальной энергии.

5.  Механическая энергия. Закон  сохранения механической энергии. Закон изменения механической энергии.

6.Общефизический закон сохранения энергии.

7. Просмотр презентации и видеоролика по теме урока для закрепления   материала.

8. Решение (по группам) качественных и количественных задач для закрепления материала

1.Механическая работа  постоянной силы – физическая скалярная  величина, равная произведению вектора силы на вектор перемещения, которое совершилось под действием этой силы:

                                                            

Или используя формулу скалярного произведения векторов, формулу для работы можно представить в виде: 

                                     А=FS

Где - вектор действующей силы, действующей на тело или материальную точку,

 – вектор перемещения под действием силы

α – угол между векторами  и .

Единицы измерения работы в СИ: [A]= 1Дж  (джоуль)   1Дж =1Н ·1м

(Обратить внимание на зависимость знака работы от величины  угла, также при каком угле  работа равна нулю)

2.Мощностью постоянной силы называется физическая величина, равная работе силы, совершенной в единицу времени:

                                    

 где А- работа силы, совершенная за время t. С учетом формулы для работы мощность силы можно выразить в виде:

                                        

Для расчета мгновенной мощности переменной силы нужно рассматривать работу за короткий промежуток времени, такой, в течение которого изменением силы можно пренебречь.

При известной мощности работа, совершаемая за время t равна:

                                         А=N∙t

Единицы мощности в системе СИ: [N]=1Вт (ватт), 1Ватт=1Дж ∕ 1с .

( Можно также  рассмотреть понятие КПД, для примера привести КПД наклонной плоскости)

3.Энергия – универсальная мера движения и взаимодействия материи,  для которой выполняется закон сохранения. Энергия характеризует способность совершить работу.  Изменение какого - либо вида энергии всегда происходит за счет совершения работы. Единицы измерения энергии такие же, как единицы измерения работы,  в СИ  [Е]= 1Дж  (джоуль).  

Кинетическая энергия – это энергия движения тела.  Она зависит от массы тела и его скорости и вычисляется по формуле:

Где m - масса тела, скорость тела. Кинетической энергией  обладают все движущиеся тела.

(обратить внимание:   кинетическая  энергия всегда неотрицательна; не зависит т направления движения;  энергия движения тела как целого)

Используя определение работы и второй закон Ньютона можно показать, что изменение кинетической энергии тела равно работе всех сил, действующих на тело:                     

4.Потенциальная энергия  -  это энергия взаимодействия тел или частей одного и того  же тела.

Примеры потенциальной энергии:

      а) В поле сил тяжести, энергия взаимодействия тела с Землей :            ,                                                                                         где m - где масса тела,   - ускорение свободного падения,  высота подъема тела над поверхностью Земли.

       б) При действии упругих сил, энергия взаимодействия  деформированных частей пружины или стержня между собой:   

где  коэффициент жесткости пружины, x – величина деформации. Потенциальные силы – силы, в результате действия которых тел обладает потенциальной энергией. Работа потенциальных сил всегда равна разности потенциальных энергий  в начальном и конечном положениях и не зависит от  формы пути перехода из начального положения в конечное положение:

                                       

Например, работа силы тяжести  при подъеме груза в высоты на высоту равна:                              

Работа силы упругости при растяжении (сжатии) пружины или стержня от деформации до деформации равна:               

                                              - 

(Обратить внимание: работа потенциальных сил на замкнутом пути всегда равна нулю)

5. Механическая энергия тела или системы тел равна сумме  кинетической и потенциальной энергий  тел, входящих  в эту систему:                              

                                             

 Если в рассматриваемой  механической системе  действуют только потенциальные силы, то система называется консервативной. Для таких систем выполняется закон сохранения механической энергии:

Механическая энергия консервативной системы  остается постоянной при любых  движениях тел, входящих в эту систему.

Другими словами,  механическая энергия системы остается постоянной, если в ней действуют только потенциальные силы. При движении системы потенциальная и кинетическая энергии тел могут изменяться, но их сумма остается неизменной с течением времени:

                        

(Рассмотреть вывод этой формулы ;рассмотреть на демонстрации механическую энергию тела, движущегося в поле сил тяжести; под действием упругих сил, под  действием обеих сил (акробат прыгает на сетку),  взаимный переход энергий  )

      Изменение механической энергии системы равно работе всех непотенциальных сил  (сил трения, сопротивления, тяги), действующих на эту систему, как внешних, так и внутренних:

  

( Обратить внимание :Если механическая энергия системы уменьшается, говорят, тело  совершает положительную работу  против сил трения (сопротивления).Показать пример скатывания и соскальзывания с наклонной плоскости. Рассмотреть изменение энергии).        

При действии  сил трения, сопротивления механическая энергия  за счет работы этих сил уменьшается (переходит во внутреннюю энергию хаотического движения молекул тел), при действии силы тяги – увеличивается за счет уменьшения внутренней энергии.

6. В природе кроме механической энергии, существуют другие виды энергии: внутренняя, электромагнитная, ядерная, и т.д. Из обобщения опытных фактов установлен  общефизический закон сохранения полной энергии: энергия не возникает ниоткуда и не исчезает бесследно, а только переходит из одного вида в другой.

7.Рассмотреть презентации и видеоролики по теме урока для закрепления материала. Решить тестовые задачи, представленные в презентации.

8.Решение задач (по группам)  для закрепления материала:

1)Камень брошен вертикально вверх c поверхности земли с некоторой начальной скоростью. Может ли он в момент падения на землю иметь большую скорость? Меньшую скорость? Скорость, равную начальной скорости? Ответ обосновать.

2) Шарик падает без начальной скорости с высоты  Н. Может ли он после отскока подняться на большую высоту? Ответ обосновать.

3) Тело движется под действием силы тяжести. При этом его потенциальная энергия уменьшается на 50 Дж. Как при этом изменяется его кинетическая энергия?

4)Груз соскальзывает без начальной скорости и без трения с наклонной  плоскости высотой Н и имеет в нижней точке некоторую скорость v. Если груз будет свободно падать с той же высоты без начальной скорости,  изменится ли его скорость в момент падения? Ответ обосновать.

5) Груз массой m  очень медленно  соскальзывает с  наклонной плоскости высотой Н  под действием силы тяжести и силы трения.   Какая по знаку и чему равна  работа силы трения? Зависит ли она от угла между наклонной плоскостью и поверхностью земли?