Номер 3, страница 440 - гдз по физике 10 класс учебник Грачев, Погожев

Электродинамика. Глава 10. Электростатика. Задания по проектной и исследовательской деятельности. Задания к главе 7 «Основы молекулярно-кинетической теории и термодинамики» - номер 3, страница 440.

Условие.

3. Подготовьте реферат на тему истории открытия закона сохранения энергии. Опишите опыт Джоуля. Через систему поиска сайта http://gotourl.ru/7148 найдите материалы по теме «Закон сохранения энергии» (раздел «История открытия»).

Решение.

Решение

История открытия закона сохранения энергии

Закон сохранения энергии, один из фундаментальных законов природы, гласит, что энергия изолированной системы сохраняется во времени. Она не может быть создана или уничтожена, а только преобразована из одной формы в другую. Идеи о сохранении некоторой величины в физических процессах восходят к античным философам, но научное становление закона произошло в XIX веке.

Первые шаги были сделаны в механике. Галилео Галилей, изучая колебания маятника, заметил, что высота подъема шарика зависит от его начальной высоты, что указывало на взаимопревращение высоты (потенциальной энергии) и скорости (кинетической энергии). В конце XVII века Готфрид Лейбниц ввел понятие «живой силы» ($mv^2$), которая, по его мнению, сохранялась в упругих столкновениях.

Решающий прорыв произошел в XIX веке с развитием термодинамики, когда несколько ученых независимо друг от друга пришли к идее эквивалентности теплоты и работы. Немецкий врач Юлиус Роберт фон Майер в 1842 году на основе физиологических наблюдений первым предположил, что теплота и механическая работа — это различные проявления одной и той же «силы» (энергии) и рассчитал их эквивалент. Английский физик Джеймс Прескотт Джоуль в 1843–1850 годах провел серию точных экспериментов, чтобы количественно доказать эту эквивалентность, его опыты стали классическим подтверждением закона. А немецкий ученый Герман фон Гельмгольц в 1847 году в своей работе «О сохранении силы» дал наиболее общую математическую формулировку закона, распространив его на химические, электрические и другие явления и показав его универсальный характер.

Таким образом, закон сохранения энергии был установлен благодаря усилиям многих ученых, которые работали в разных областях науки, что подчеркивает его фундаментальность.

Опыт Джоуля

Классический опыт Джеймса Джоуля по определению механического эквивалента теплоты стал ключевым экспериментальным доказательством закона сохранения энергии. Установка состояла из калориметра — сосуда с водой, тщательно изолированного от окружающей среды для минимизации потерь тепла. Внутри сосуда находилась крыльчатка (система лопастей), которую можно было приводить во вращение с помощью падающих грузов, соединенных с ней через систему блоков.

Процесс эксперимента проходил в несколько этапов. Сначала грузы известной массы $m$ поднимали на определённую высоту $h$, сообщая им потенциальную энергию $E_p = mgh$, где $g$ — ускорение свободного падения. Затем грузы отпускали, и они, падая, приводили во вращение крыльчатку в калориметре. Вращающиеся лопасти перемешивали воду, и за счет сил трения механическая работа, совершаемая падающими грузами, превращалась во внутреннюю энергию воды, что приводило к её нагреванию. Наконец, с помощью чувствительного термометра измерялось итоговое изменение температуры воды $\Delta T$.

Джоуль исходил из предположения, что вся работа $W = mgh$, совершённая силой тяжести при падении грузов, переходит в теплоту $Q$, поглощенную водой. Количество этой теплоты можно рассчитать по формуле $Q = cM\Delta T$, где $c$ — удельная теплоемкость воды, а $M$ — масса воды в калориметре. Многократно повторяя падение грузов, Джоуль добивался заметного повышения температуры и с высокой для своего времени точностью установил, что для нагревания 1 грамма воды на 1 градус Цельсия требуется совершить механическую работу, примерно равную 4,18 Дж. Эта величина получила название механического эквивалента теплоты.

Таким образом, опыт Джоуля наглядно продемонстрировал, что теплота является одной из форм энергии и что механическая энергия может количественно переходить в тепловую, подтвердив универсальность закона сохранения энергии.

Ответ: Отчет по истории открытия закона сохранения энергии и описание опыта Джоуля представлены выше. Ключевые моменты: закон был сформулирован в середине XIX века благодаря работам Майера, Джоуля и Гельмгольца. Он гласит, что энергия не создается и не исчезает, а лишь переходит из одной формы в другую. Эксперимент Джоуля с вращающейся в воде крыльчаткой количественно доказал эквивалентность механической работы и теплоты, что стало важнейшим подтверждением этого фундаментального закона природы.