В физике термин «работа» связан с действием силы и полученным в процессе этого действия перемещением тела. Например, грузчик поднимает груз на некоторую высоту. Грузчик действует на груз с помощью мускульных усилий, и груз перемещается. Мяч под действием силы тяжести падает на землю. На мяч действует сила тяжести, и мяч перемещается. Во всех этих случаях совершается механическая работа.
При проектировании лифтов, электростанций или гоночных автомобилей инженеры-механики учитывают концепции работы и мощности. Инженеры, которые проектируют автомобильные двигатели, считают, будет ли двигатель использоваться в высокопроизводительном или экономичном автомобиле. Высокопроизводительный двигатель способен быстро ускорить и имеет высокую мощность; это также более дорого для производства. Таким образом, инженер разрабатывает двигатель для экономичного автомобиля с меньшей мощностью, чтобы снизить общую стоимость производства автомобиля.
Механическая работа - это физическая величина, прямо пропорциональная приложенной к телу силе и пройденному телом пути. Более строгое определение работы звучит так.
Работой силы называется физическая величина, равная произведению модуля силы на величину перемещения тела в направлении действия силы.
Вспомним, что сила измеряется в ньютонах, а путь - в метрах. Следовательно, единицей работы будет ньютон, умноженный на метр. Однако работа является столь важной в физике величиной, что у нее есть собственная единица измерения. Она названа в честь английского физика Джеймса Джоуля и называется джоуль (Дж).
После этого урока учащиеся должны уметь. Опишите, как водяное колесо может производить механическую и электрическую энергию.
- Сделайте связь между концепциями власти и работы и инженерного проектирования.
- Объясните, как концепция сохранения энергии применяется к реальным сценариям.
Кинетическая и потенциальная энергия движения. Студенты знакомятся как с потенциальной энергией, так и с кинетической энергией как с формами механической энергии. Практическая деятельность демонстрирует, как потенциальная энергия может превратиться в кинетическую энергию, размахивая маятником, иллюстрируя концепцию сохранения энергии.
Итак, если под действием силы в 1 ньютон тело переместилось на 1 метр, то данной силой совершена работа 1 джоуль.
Условия, необходимые для совершения работы
Для совершения работы необходимо не только, чтобы на тело действовала сила, но и при этом происходило перемещение тела (рис. 1).
Столкновения и импульс: прыгающие мячи. На этом занятии представлены понятия импульсных, упругих и неупругих столкновений. Многие виды спорта и игры, такие как бейсбол и настольный теннис, иллюстрируют идеи импульсов и столкновений. Содержание этой учебной программы по цифровым библиотекам было разработано в рамках гранта Фонда по совершенствованию образования в области высшего образования, США.
Программа разделена на следующие разделы. Добыча лигнита в открытой горной промышленности. Наше современное общество привыкло использовать много энергии для промышленности и частных нужд. Однако мы все больше осознаем связанные с этим экологические проблемы.
Рис. 1. Работа совершается только тогда, когда тело, на которое действует сила, перемещается
Сила, действующая на тело, может и не совершать работу. Если, например, вы пытаетесь сдвинуть с места тяжелый шкаф, то сила, с которой вы действуете на шкаф, работу не совершает, поскольку перемещение шкафа равно нулю (рис. 2).
Фотогальваническая малая электростанция мощностью около 5 кВт. Альтернативные формы энергии, такие как солнечная энергия и энергия ветра, могут обеспечить облегчение, но требуется все больше энергосберегающей энергии. Чтение счетчиков электроэнергии. Например, в случае с электрической энергией каждый человек может лично прочитать свое потребление энергии на счетчике электроэнергии в киловатт-часах.
Электрический подъем материала. Используя пример подъема электрического материала на строительной площадке, вводятся подъемные работы. С помощью измерительного устройства потребление электроэнергии в кВт-ч можно считывать с разных масс и высоты транспортировки.
Рис. 2. Сила действует, а тело не перемещается. В этом случае работа равна нулю
Если космонавт, например, в открытом космосе оттолкнет от себя предмет и предмет будет удаляться от него, то хотя предмет и перемещается, но работу космонавт после толчка не совершает, так как сила, с которой он действует на предмет, равна нулю. Предмет движется по инерции (рис. 3).
При удвоенной нагрузке и той же высоте значение потребления удваивается. При половине высоты и той же нагрузке первоначальное значение потребления уменьшается вдвое. Такое же значение потребления может быть достигнуто с разной высотой, только если высота веса продукта будет постоянной.
Шкив с рыхлым роликом. С помощью шкива можно уменьшить необходимую тягу, но в том же соотношении увеличивается расстояние, на которое действует сила. Проделанная работа не изменится. Шкив изменяет мощность, а не работу. Постоянная сила продукта в разы называется подъёмной работой.
Рис. 3. Тело после толчка перемещается, но работа при этом не совершается, поскольку космонавт не действует на тело силой
Таким образом, для того чтобы совершалась работа, на тело должна действовать сила и тело при этом должно перемещаться.
Формы и виды энергии
Отношение к киловатт-часам: 1 кВтч = 3, 6 млн. Единица энергии после Дж. При наклонном подъеме подъемные работы не зависят от угла. Даже наклонный лифт не изменяет значение потребления электрической энергии, чтобы поднять вес до определенной высоты. Физики называют это расположение наклонной плоскостью.
Можно математически продемонстрировать, что произведение силы и расстояния спуска равно произведению веса разной высоты. Это применяется независимо от угла тангажа наклонной плоскости. Никакой механической работы, поскольку сила действует перпендикулярно пути.
Какая работа совершается при подъеме гранитной плиты объемом 2 м 3 на высоту 12 м?
Прежде всего запишем условие задачи. Поскольку работа будет совершаться против силы тяжести, которая определяется массой тела, а в условии дан объем плиты, то для решения нам понадобится знать плотность гранита (рис. 4).
Условия, необходимые для совершения работы
В крайнем случае горизонтального движения вес не поднимается. Таким образом, высота и сила спуска равна нулю, и поэтому в физическом смысле никакая работа не выполняется. Это, похоже, противоречит четко распознаваемым усилиям. Но нужно четко различать биологическую работу, выполняемую в мышцах, и физическую работу над весовой частью.
Фуникулер с двумя автомобилями. На горной железной дороге Неро, довольно старой фуникулерной железной дорогой, объясняется связь между подъемными работами и потенциальной энергией: подъемные работы выполняются на движущемся вверх автомобиле, и его позиционная энергия увеличивается. Для этой цели этот автомобиль соединен стальным кабелем с нисходящей машиной. Это дает свою позиционную энергию и, таким образом, выполняет подъемные работы.
Рис. 4. Краткое условие задачи
Для нахождения работы необходимо силу, приложенную к телу для его подъема, умножить на пройденный телом путь. Путь, пройденный телом, - это высота, на которую его подняли.
При равномерном подъеме тела сила, приложенная к нему, равна силе тяжести.
Для нахождения массы тела умножим его объем на плотность гранита.
Неронская горная железная дорога: заполнение воды на горной станции. Так что скоростной автомобиль никогда не светлее, чем в гору, вода заполняется на верхней станции в танке на дне автомобиля, который сливается и накачивается снова на станции долины.
Шлухзее в Шварцвальде - это резервуар, который используется для электростанции с накачкой. Огромное количество воды может стекать по трубам через разницу высот 620 м и генерировать генераторы через турбины. Преобразование энергии с эффективностью. Таким образом, резервуар содержит гигантское количество потенциальной энергии почти 400 миллионов кВтч.
После двух подстановок получим рабочую формулу для вычисления работы.
Проведем анализ размерности результата.
Теперь можно подставлять числовые данные в конечную формулу.
Окончательный ответ удобно представить в килоджоулях.
Ответ: работа по подъему плиты равна 624 кДж.
Рис. 5. Полное решение задачи
Обратим внимание на то, что в определении работы как физической величины есть слова «произведение модуля силы на величину перемещения тела в направлении действия силы». Но ведь на тело может действовать сила, направленная в сторону, противоположную направлению движения тела. Например, сила трения. В этом случае работа силы будет отрицательной. Кроме того, сила может быть перпендикулярна направлению движения тела. Например, если мяч катится по горизонтальной поверхности, то сила тяжести перпендикулярна направлению перемещения мяча. В этом случае мяч не перемещается в направлении действия силы и работа равна нулю (рис. 6).
Рис. 6. Работа может быть положительной, отрицательной и нулевой
Итак, механическая работа - это физическая величина, характеризующая действие силы. Она измеряется в джоулях. Необходимо помнить, что для того, чтобы была совершена механическая работа под действием силы, тело должно пройти некоторый путь.
Список литературы
1. Перышкин А.В. Физика. 7 кл. - 14-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2010.
2. Перышкин А.В. Сборник задач по физике, 7-9 кл.: 5-е изд., стереотип. - М: Издательство «Экзамен», 2010.
3. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов общеобразовательных учреждений. - 17-е изд. - М.: Просвещение, 2004.
1. Сайт «Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов» ()
2. Сайт «Единая коллекция цифровых образовательных ресурсов» ()
Домашнее задание
1. Лукашик В.И., Иванова Е.В. Сборник задач по физике для 7-9 классов. № 666-669, 678, 686.
Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы .
Работой A , совершаемой постоянной силой F → , называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла α между векторами силы F → и перемещения s → (рис. 1.18.1): A = Fs cos α .
Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительной (0° ≤ α < 90° ), так и отрицательной (90° < α ≤ 180° ). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж) .
Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 Н на перемещении 1 м в направлении действия силы.
Работа силы F → : A = F s cos α = F s s
Если проекция F → s силы F → на направление перемещения s → не остается постоянной, работу следует вычислять для малых перемещений Δs i и суммировать результаты: A = ∑ Δ A i = ∑ F si Δ s i .
Это сумма в пределе (Δs i → 0 ) переходит в интеграл.
Графически работа определяется по площади криволинейной фигуры под графиком F s (x) (рис. 1.18.2).
Графическое определение работы. ΔA i = F si Δs i
Примером силы, модуль которой зависит от координаты, может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука . Для того, чтобы растянуть пружину, к ней нужно приложить внешнюю силу F → , модуль которой пропорционален удлинению пружины (рис. 1.18.3).
Растянутая пружина. Направление внешней силы
F
→
совпадает с направлением перемещения
s
→
.
F
s
= k x
,
k
– жесткость пружины.
F
→
упр
= -
F
→
Зависимость модуля внешней силы от координаты x изображается на графике прямой линией (рис. 1.18.4).
Зависимость модуля внешней силы от координаты при растяжении пружины
По площади треугольника на рис. 1.18.4 можно определить работу, совершенную внешней силой, приложенной к правому свободному концу пружины: A = k x 2 2 .
Этой же формулой выражается работа, совершенная внешней силой при сжатии пружины. В обоих случаях работа упругой силы F → упр равна по модулю работе внешней силы F → и противоположна ей по знаку.
Если к телу приложено несколько сил, то общая работа всех сил равна алгебраической сумме работ, совершаемых отдельными силами. При поступательном движении тела, когда точки приложения всех сил совершают одинаковое перемещение, общая работа всех сил равна работе равнодействующей приложенных сил .
Механическая работа
Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность N это физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t , в течение которого совершена эта работа: N = A t .
В Международной системе (СИ) единица мощности называется ватт (Вт) . Ватт равен мощности силы, совершающей работу в 1 Дж за время 1 с . 1 Вт = 1 Дж 1 с.
