Задание №5, страница 59 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Филонович, Петрова

ЗАДАНИЕ № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

Подсказка к работе. Для проведения опыта изготовьте маятник Максвелла. Из листа бумаги сделайте трубочку и вставьте её в CD-диск. На концах трубочки завяжите нити длиной 20—30 см, а противоположные их концы закрепите в штативе настольной лампы.

1. Вращайте трубочку и наматывайте на неё нить. Таким образом поднимите диск в верхнее положение.

2. Опустите трубочку с диском.

3. Повторите опыт несколько раз.

Сделайте вывод (о превращении одного вида механической энергии в другой)

В ходе выполнения данного опыта с маятником Максвелла происходят следующие физические процессы и превращения энергии:

1. Вращайте трубочку и наматывайте на неё нить. Таким образом поднимите диск в верхнее положение.

Поднимая диск на максимальную высоту $\text{h}$, мы совершаем работу против силы тяжести. Эта работа запасается в виде потенциальной энергии тела, поднятого над землей. В верхней точке, когда диск неподвижен, его потенциальная энергия $E_p$ максимальна и равна $E_p = mgh$, где $\text{m}$ — масса диска с трубочкой, $\text{g}$ — ускорение свободного падения. Кинетическая энергия $E_k$ в этот момент равна нулю.

2. Опустите трубочку с диском.

Когда мы отпускаем диск, он под действием силы тяжести начинает двигаться вниз, раскручивая нити. Происходит превращение энергии. По мере уменьшения высоты $\text{h}$ потенциальная энергия $E_p$ диска уменьшается. Одновременно с этим растет его скорость, а значит, и кинетическая энергия $E_k$. Поскольку диск не только опускается, но и вращается, его полная кинетическая энергия является суммой кинетической энергии поступательного движения ($E_{k, \text{пост}} = \frac{1}{2}mv^2$) и кинетической энергии вращательного движения ($E_{k, \text{вращ}} = \frac{1}{2}I\omega^2$). В самой нижней точке траектории, когда высота минимальна ($h \approx 0$), потенциальная энергия также минимальна ($E_p \approx 0$), а скорость и кинетическая энергия достигают своего максимального значения. Таким образом, потенциальная энергия переходит в кинетическую.

3. Повторите опыт несколько раз.

Достигнув нижней точки, диск по инерции продолжает вращаться и начинает снова наматывать нити на себя, поднимаясь вверх. В процессе подъема его скорость уменьшается, а высота увеличивается. Происходит обратное превращение: кинетическая энергия переходит в потенциальную. Диск поднимется на высоту, которая будет немного меньше исходной, так как часть механической энергии была потрачена на преодоление сил трения нитей и сопротивления воздуха. Далее цикл повторяется: диск снова опускается, и потенциальная энергия опять переходит в кинетическую. Эти колебания продолжаются до тех пор, пока вся механическая энергия не перейдет во внутреннюю энергию (теплоту) из-за действия сил трения.

Сделайте вывод (о превращении одного вида механической энергии в другой)

В ходе эксперимента с маятником Максвелла наблюдается периодическое превращение одного вида механической энергии в другой. Потенциальная энергия, которой обладает диск в верхнем положении, при его опускании превращается в кинетическую энергию (поступательного и вращательного движения). При последующем подъеме диска происходит обратное превращение кинетической энергии в потенциальную. Этот процесс иллюстрирует закон сохранения механической энергии, который в данном случае выполняется не идеально из-за наличия сил трения, приводящих к постепенному затуханию колебаний.

Ответ: В системе маятника Максвелла происходит непрерывное взаимное превращение потенциальной энергии в кинетическую (при движении диска вниз) и кинетической энергии обратно в потенциальную (при движении диска вверх).