Енергія в фізиці

Енергія для нас є базовим поняттям. Це означає, що ми можемо не втрачати час, щоб визначити, що таке енергія. Скажемо тільки, що енергія це те, чим володіє кожне тіло. Енергія передається від одного тіла до іншого при їх взаємодії. Якщо в одного тіла енергія убуває, в іншого вона збільшується. Енергію можна відбирати у тіла по частинах. Енергію можна додавати тілу по частинах. Якщо тіло ізольовано від зовнішніх впливів, воно зберігає свою енергію. Цей принцип називають законом збереження енергії. Закон збереження енергії виконується завжди.
Енергія нам потрібна, щоб переміщати вантажі, які мають вагу. З досвіду ми знаємо, що таке вагу тіла. У спортзалі миттєво приходить розуміння, що двухпудовую гиря важить набагато більше, ніж пудова. Один пуд дорівнює приблизно 160 Н. Енергію вимірюють у джоулях (Дж). Один джоуль це енергія, яку необхідно затратити, щоб підняти вантаж вагою 1 Н на висоту 1 м. Якщо спортсмен піднімає з підлоги гирю вагою 160 Н на висоту 2 м, він витрачає енергію, рівну 320 Дж. Як бачимо, для людини 1 джоуль величина невелика. Інша справа, для частинки розміром з порошинку. Для неї це солідний запас енергії. Наприклад, якщо в космосі метеор масою 1 міліграм (мг) має енергію 1 Дж, це означає, що він летить зі швидкістю майже 1500 м / с.
Це пристойна швидкість, більше швидкості кулі.
У будь-якому тілі прихована внутрішня енергія Eº, величина якої дорівнює добутку маси тіла на квадрат швидкості світла: Eº = mc² (2.1). У нашому світі це величезна величина. Вона в 10 разів більше, ніж виділяється при вибуху термоядерного заряду з такою ж масою. Внутрішню енергію частинки можна виділити, якщо її масу повністю перетворити в поле, наприклад, в електромагнітне. Скажемо відразу, що зробити це не так просто. Завдяки цьому ми живемо в досить стійкому світі.
Ми будемо розглядати енергію руху тел. Ця енергія залежить від маси. Ще вона залежить від виду поля. Якщо ми трохи зрозуміли, що таке енергія, то ми можемо сказати, що поле – це те, за допомогою чого енергія передається від одного тіла до іншого. Саме поле переносить енергію. Завдяки увазі поля енергія знаходить конкретну форму: акустичну, гравітаційну, електромагнітну або ядерну. Основне завдання фізики полягає в тому, щоб вивчати різні форми енергії і придумати, як отримати з цього користь. Багато що в цій сфері вже робиться. Наприклад, для руху екологічно чистого електромобіля використовують електроенергію з акумулятора, який зарядили на електростанції енергією, виробленою на гідростанції, де використовують енергію руху потоку води, що падає під тяжінням Землі.
Енергію руху тіл умовно називають механічною. Це роблять для того, щоб не думати про тип поля, змушує тіло прискорюватися або змінювати положення в просторі. Відповідно, механічна енергія може залежати від швидкості тіла або від його місцезнаходження в просторі. Енергію, яка залежить тільки від місцезнаходження тіла, називають потенційною (Ep). Енергію, яка залежить тільки від швидкості тіла, називають кінетичної (Ek). Якщо швидкість тіла дорівнює нулю, його кінетична енергія теж дорівнює нулю. Якщо тіло знаходиться в ізоляції, наприклад, метеор в міжзоряному просторі, його потенційна енергія практично дорівнює нулю.
Розглянемо приклад: аеростат піднімається на висоту 1 км і зависає. Швидкості немає, значить, кінетична енергія дорівнює нулю. Але якщо з аеростата скинути вантаж, наприклад, використаний балон з-під газу, то при падінні на землю балон може призвести руйнування, наприклад, зламати кущ. Легко зрозуміти, що балон впав, бо на нього діяло тяжіння Землі. Значить, балон мав запас гравітаційної енергії, яка залежить від висоти. За визначенням, ця енергія є потенційною. Звідки вона взялася? За рахунок підйому аеростата. Згадаймо, що кількість енергії, рівне 1 Дж, передається тілу вагою 1 Н, якщо його підняти на висоту 1 м. Очевидно, якщо тіло з вагою P підняти на висоту h, то йому буде передано кількість енергії Ep = P h (2.2).
Інший приклад: коли автомобіль рухається по рівній дорозі, його висоту над землею можна вважати рівною нулю. Значить, його потенційна енергія дорівнює нулю. Це справедливо, оскільки автомобілю нікуди падати. Зате автомобіль має швидкість. Значить, автомобіль має кінетичну енергію. Спробуємо знайти для неї формулу. Прийнято вважати, що кінетична енергія завжди позитивна. Це справедливо, тому що тіло може мати кінетичну енергію і за відсутності поля, яке вказує на знак взаємодії. З іншого боку, сама швидкість може бути негативна, якщо тіло переміщається проти поля. Значить, кінетична енергія залежить не просто від швидкості, а від квадрата швидкості, так як квадрат будь-якої величини завжди більше нуля. Також вона залежить від маси тіла: чим більше маса, тим більше енергія. Але якщо ми напишемо просто Ek = mv2 (як для внутрішньої енергії Е0), то це буде завищений результат, як якби енергія була передана миттєво. Але так не буває. Відомо, що автомобіль набирає швидкість поступово, за деякий час. Поки нас не цікавить цей час, але ми знаємо, що в початковий момент енергія дорівнювала нулю, а в кінці: mv2. Значить, середня енергія буде рівна середньому арифметичному від значень енергії на початку і кінці: Ek = (0 + mv2) / 2 = mv2 / 2 (2.3).
Якщо в даному прикладі автомобіль мав масу 2000 кг і швидкість 20 м / с, то його кінетична енергія дорівнює: Ek = 2000 × 20 × 20/2 = 1000 × 400 = 400 000 (Дж). Це пристойний запас енергії. Саме тому автомобіль не просто засіб пересування, а джерело підвищеної небезпеки.
Розглянемо ще один приклад: безпілотний літак c масою m летить зі швидкістю v на висоті h над Землею. Значить, він має кінетичну енергію mv2 / 2 і потенційну енергію Ph Сума кінетичної і потенційної енергій називається повною механічною енергією (Е) тіла: E = Ek + Ep (2.4).

Пиши в коментарях свої зауваження щодо статті. Будемо активно виправляти.

Ви використовуєте старий браузер – Internet Explorer ! Сайт може працювати неправильно. Ми рекомендуємо використовувати Internet Explorer 11.

© 2024 Всі права захищені. При використанні матеріалів нашого сайта посилання на наш сайт обов’язкове! Дякуємо за розуміння.

§ 3. Фізичні величини та їх вимірювання

Кожна наука чи галузь знань починається з класифікації її понять. Поняття науки – це основа її мови, мислення й обміну думками. Основою кожного поняття є його істотні ознаки, які відображають суть даного об’єкта. У кожній науці існують поняття, пов’язані між собою залежностями й розділені за істотними ознаками.

Під час проведення дослідів у фізиці виконують спеціальні вимірювання. Для фізики, як науки експериментальної, вимірювання є невід’ємною складовою досліджень. Роль вимірювань у розвитку науки яскраво охарактеризував російський учений Д. І. Менделєєв, який сказав: «Наука починається там, де починають вимірювати».

Фізичні величини та їх одиниці. Міжнародна система одиниць. Кожного дня ми спостерігаємо різноманітні фізичні тіла і взаємодіємо з ними. Розглядаючи фізичні тіла або явища, виділяють деякі особливості, спільні для них, або такі, що відрізняють їх від інших тіл і явищ. Ці особливості називають фізичними властивостями. Тримаючи в руках грудочку снігу, говорять, що вона холодна, а щойно зварена кава – гаряча. Віконне скло крихке і легко розбивається, алмаз же настільки твердий, що може надрізати скло. Яблуко маленьке у порівнянні із земною кулею, але величезне порівняно з молекулою води.

Такі порівняння дають наближений опис властивостей тіл. Для того, щоб отримати точні характеристики фізичних властивостей тіл і явищ, розглядають фізичні величини, які характеризують властивості фізичного тіла. Фізичними величинами є температура, об’єм, час, довжина, швидкість. Щоб установити залежність об’єму води або іншої рідини від температури, під час нагрівання рідини вимірюють одночасно об’єм і температуру.

Фізична величина – властивість, спільна в якісному відношенні у багатьох матеріальних об’єктів та індивідуальна в кількісному відношенні у кожного з них.

Фізичну величину можна виміряти. Для вимірювання довжини учнівського столу її порівнюють з іншою довжиною, яка прийнята за одиницю довжини, наприклад, з метром.

Виміряти будь-яку величину – означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю цієї величини.

В результаті вимірювань фізичних величин отримують їх числове значення, виражене в прийнятих одиницях. Таким чином, щоби виміряти фізичну величину, потрібно встановити одиницю, з якою її треба порівняти. Для кожної фізичної величини прийняті свої одиниці. Лінійні розміри тіл, різноманітні відстані вимірюють у метрах. Одиницею довжини є 1 метр (1 м). Одиницею площі є 1 квадратний метр (1 м 2 ), одиницею об’єму – 1 кубічний метр (1 м 3 ).

Для зручності різні країни намагаються використовувати для вимірювання одних і тих самих фізичних величин однакові одиниці. Обов’язковому застосуванню в Україні підлягають основні одиниці Міжнародної системи, а також десяткові кратні та частинні від них одиниці. Міжнародна система одиниць (System International unites) з міжнародним скороченням назви SI (українською мовою — СІ) була прийнята та рекомендована Генеральною конференцією з мір і ваг у 1960 р.; на наступних конференціях неодноразово уточнювалась. СІ має низку переваг над системами, які існували раніше: вона універсальна, охоплює всі галузі науки, техніки, господарства тощо. Тому вона отримала визнання в багатьох країнах світу.

Основними величинами СІ є довжина, час, маса, сила електричного струму, термодинамічна температура, кількість речовини і сила світла.

Використовуються також позасистемні одиниці. Деякі з них використовуються завдяки зручності застосування в певних галузях, інші збереглися завдяки історичним традиціям. Відмова від них зараз неможлива у зв’язку з їх широким розповсюдженням. Часто доводиться мати справу з британськими одиницями (дюйм, фут, фунт, унція, барель тощо). Другу групу створюють давньоруські одиниці (пуд, вершок, сажень тощо).

Правила запису фізичних величин визначено Державним стандартом України.

Наприклад, короткий запис виразу «час руху автомобіля тридцять секунд» має вигляд t = 30 с. У цьому виразі t – позначення часу (латинська літера), 30 – числове значення часу, літера «с» – позначення одиниці часу (секунди). Назви, символи, одиниці фізичних величин, що вивчаються у 7 класі, наведено на форзаці підручника.

Символ (фізичної) величини – умовний знак, прийнятий для позначення фізичних величин одного роду.

Числове значення (фізичної) величини – число, що дорівнює відношенню розміру фізичної величини, що вимірюється, до розміру одиниці фізичної величини чи кратної (часткової) одиниці.

Позначення одиниці (фізичної) величини – умовна абревіатура з літер, складена з літер слів, які входять до назви одиниці, або спеціальні знаки.

Розрізняють векторні та скалярні фізичні величини. Щоб задати скалярну фізичну величину достатньо вказати лише числове значення, а щоб задати векторну фізичну величину необхідно вказати напрям і точку прикладання вектора. Наприклад, маса, довжина, об’єм – скалярні, а швидкість – векторна фізична величина.

Зі шкільного курсу математики вам відомо, що на практиці використовуються кратні десяткові одиниці, які в 10, 100, 1000 разів більші за прийняті одиниці. А також частинні одиниці, які, відповідно, в 10, 100, 1000 разів менші прийнятих одиниць. Тому у фізиці використовують кратні та частинні одиниці фізичних величин. Наприклад, одиниці довжини, кратні одному метру (1 м), – це декаметр (10 м), кілометр (1000 м). Одиниці, частинні метру, – дециметр (0,1 м), сантиметр (0,01 м), міліметр (0,001 м). Множники, префікси та їхні позначення подано на форзаці підручника.

Вимірювання фізичних величин. Для вимірювання фізичних величин використовують спеціальні засоби вимірювання або вимірювальні прилади. Найпростішими приладами є лінійка та мірна стрічка, призначені для вимірювання довжини, а також мірні циліндри, якими вимірюють об’єми рідин (рис. 1.26). На практиці використовують і більш складні прилади, наприклад, секундомір для вимірювання часу, а також термометр для вимірювання температури (рис. 1.27).

Рис. 1.26. Прилади для вимірювання довжини та об’єму

Рис. 1.27. Прилади для вимірювання часу й температури

Вимірювальний прилад – засіб вимірювань, в якому створюється візуальний сигнал вимірюваної інформації.

Для термометра та мензурки таким сигналом виступає рівень висоти стовпчика рідини, для годинника – положення стрілок тощо.

Вимірювання – відображення вимірюваних величин їх значеннями шляхом експерименту та обчислень за допомогою спеціальних технічних засобів.

Із розвитком науки й техніки вимірювальні прилади вдосконалювалися та ускладнювалися. Сучасна фізика для досліджень властивостей речовини використовує унікальні прилади, які встановлені, наприклад, на апаратах для вивчення морських глибин, космічних апаратах.

Спільною ознакою простих вимірювальних приладів є наявність шкали, яка утворюється нанесенням рисок і відповідних їм значень фізичних величин. Відстань між двома числовими позначками на шкалі приладу може додатково поділятися на поділки (рис. 1.28).

Шкала (аналогового вимірювального приладу) – частина показувального пристрою у вигляді впорядкованої сукупності позначок разом із пов’язаною з нею певною послідовністю чисел.

Крім аналогових існують цифрові вимірювальні прилади, де інформація подається в готовому для сприймання вигляді на циферблаті.

Рис. 1.28. Шкала вимірювального приладу

Позначка шкали – риска або інший знак на шкалі, що відповідають одному або декільком значенням вимірюваної величини.

Поділка шкали – частина пікали між двома сусідніми позначками шкали.

Перед тим, як виконують вимірювання фізичних величин будь-яким приладом, визначають ціну поділки його шкали, яку позначають C_V.

Ціна поділки шкали аналогового вимірювального приладу – різниця значень вимірюваної величини, що відповідає двом сусіднім позначкам шкали.

Визначити ціну поділки шкали вимірювального приладу можна таким чином:

• 1) звернути увагу на одиницю фізичної величини, вказану на приладі, відносно якої проградуйовано шкалу;
• 2) знайти на шкалі дві найближчих (сусідніх) позначки, біля яких вказано значення фізичної величини;
• 3) визначити кількість поділок між вибраними значеннями фізичної величини;
• 4) від більшого значення фізичної величини, вибраного на шкалі, відняти менше і розділити на кількість поділок між ними.

Рис. 1.29. Мірний циліндр

Для прикладу визначимо ціну поділки мірного циліндра (рис. 1.29). Одиницею вимірювання об’єму для мірного циліндра є мілілітр (1 мл = 1 см 3 ), що вказано у верхній частині шкали приладу. Використаємо будь-які сусідні поділки, біля яких нанесено числові значення, наприклад, 200 і 250 мл. Відстань між цими значення нараховує десять поділок. Отже, ціна поділки шкали мірного циліндра дорівнює:

Одиницею вимірювання довжини, що зазначено на мірній стрічці та лінійці (рис. 1.26), є сантиметр. Ціна поділки шкали цього вимірювального приладу дорівнює 0,1 см або 1 мм.

У фізиці розрізняють два типи вимірювань: прямі та непрямі.

Пряме вимірювання – вимірювання фізичної величини, значення якої знаходять безпосередньо за допомогою вимірювального приладу або інструменту.

Непряме вимірювання – вимірювання, в якому значення однієї чи декількох вимірюваних величин знаходять після обчислення за відомими залежностями їх від декількох величин, що вимірюються прямо.

Тобто прямими є вимірювання, якщо їх виконують безпосередньо тим чи іншим приладом, наприклад, довжину – лінійкою, час – секундоміром, температуру – термометром. Не завжди можливо прямо виміряти ту чи іншу величину. Тоді застосовують непрямі вимірювання. Прикладом непрямих вимірювань є вимірювання об’ємів тіл правильної форми, таких як куб, паралелепіпед. Прямо визначають лінійні розміри – довжину його ребер, а потім розраховують об’єм.

Головне у цьому параграфі

Виміряти будь-яку величину – означає порівняти її з однорідною величиною, прийнятою за одиницю цієї величини. Щоби виміряти фізичну величину, потрібно встановити одиницю, з якою її треба порівняти. Згідно з Міжнародною системою одиниць довжина вимірюється метрами, час – секундами, маса – кілограмами. Одиницею довжини є 1 метр (1 м), площі – 1 квадратний метр (1 м 2 ), об’єму – 1 кубічний метр (1 м 3 ), часу – 1 секунда (1 с).

Ціною поділки шкали вимірювального приладу називають значення фізичної величини, що відповідає відстані між двома найближчими позначками.

Запитання для самоперевірки

• 1. Наведіть приклади фізичних величин. Які фізичні явища вони характеризують?
• 2. Наведіть приклади використання кратних і частинних одиниць фізичних величин.
• 3. Назвіть вимірювальні прилади, які ви знаєте.
• 4. Що таке шкала вимірювального приладу?
• 5. На прикладі поясніть, як визначити ціну шкали вимірювального приладу.
• 6. Що таке прямі та непрямі вимірювання? Поясніть на прикладі.

Вправа 2

• 1. Доберіть одиниці фізичних величин, які не входять до Міжнародної системи, але використовуються на виробництві та в побуті (наприклад, довжини та маси).
• 2. Визначте ціну поділки шкал вимірювальних приладів, які є у вас вдома (медичний термометр, кімнатний термометр, настінний годинник). Запишіть показання термометрів і час (години та хвилини), коли проводили вимірювання.
• 3. Повторіть і запишіть співвідношення між одиницями довжини, площі та об’єму.

Назва приладу

Вимірювана фізична величина

Ціна поділки шкали приладу

Значення фізичної величини