Номер 35, страница 101, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Глава V. Работа, мощность, энергия. Параграф 26. Механическая энергия - номер 35, страница 101.

Условие.

35. Понаблюдайте за колебаниями подвешенного на нити груза. Какие превращения энергии при этом происходят? В какие моменты кинетическая энергия груза максимальна; минимальна? В какие моменты потенциальная энергия груза максимальна; минимальна? Опишите ваш опыт, сделайте к нему поясняющие рисунки, фотографии или видео.

Решение.

Опишите ваш опыт, сделайте к нему поясняющие рисунки, фотографии или видео.

Для наблюдения за колебаниями можно взять небольшой тяжелый предмет (например, гайку или гирьку) и подвесить его на прочной нити. Верхний конец нити необходимо закрепить неподвижно. Такая система называется математическим маятником.

Отведем груз в сторону от положения равновесия, приподняв его на некоторую высоту, а затем отпустим. Груз начнет совершать периодические движения, колеблясь около положения равновесия. Мы будем наблюдать, как он многократно проходит от одного крайнего положения до другого через самую нижнюю точку траектории.

Ниже представлен поясняющий рисунок, иллюстрирующий ключевые точки в движении маятника и состояния энергии в них.

Ответ: Опыт заключается в наблюдении за колебаниями груза, подвешенного на нити. Груз отклоняют от положения равновесия и отпускают, после чего он начинает совершать колебания. Рисунок иллюстрирует движение маятника и распределение энергии в ключевых точках траектории.

Какие превращения энергии при этом происходят?

При колебаниях маятника происходит непрерывное взаимное превращение двух видов механической энергии: потенциальной и кинетической. Потенциальная энергия груза, связанная с его высотой над положением равновесия ($E_p = mgh$), переходит в кинетическую энергию, связанную с его движением ($E_k = \frac{mv^2}{2}$), и обратно. В идеальной системе без трения и сопротивления воздуха полная механическая энергия ($E = E_k + E_p$) сохраняется.

Процесс выглядит следующим образом:
1. В крайних точках (максимальная высота) вся энергия потенциальная.
2. При движении к положению равновесия высота уменьшается, скорость растет, и потенциальная энергия переходит в кинетическую.
3. В положении равновесия (минимальная высота) вся энергия кинетическая.
4. При движении от положения равновесия к другому крайнему положению скорость падает, высота растет, и кинетическая энергия переходит в потенциальную.

Ответ: При колебаниях груза происходит непрерывное взаимное превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно.

В какие моменты кинетическая энергия груза максимальна; минимальна?

Кинетическая энергия $E_k = \frac{mv^2}{2}$ напрямую зависит от квадрата скорости груза.

Максимальна: Кинетическая энергия достигает своего максимального значения, когда скорость груза максимальна. Это происходит в момент прохождения маятником положения равновесия (самой нижней точки траектории, точка B на рисунке).

Минимальна: Кинетическая энергия минимальна (равна нулю), когда скорость груза равна нулю. Это происходит в крайних точках траектории (точки A и C на рисунке), где груз на мгновение останавливается перед сменой направления движения.

Ответ: Кинетическая энергия максимальна в момент прохождения положения равновесия и минимальна (равна нулю) в крайних точках траектории.

В какие моменты потенциальная энергия груза максимальна; минимальна?

Потенциальная энергия $E_p = mgh$ зависит от высоты $\text{h}$ груза относительно некоторого нулевого уровня. Удобно принять за нулевой уровень самое низкое положение груза – положение равновесия.

Максимальна: Потенциальная энергия достигает своего максимального значения, когда груз находится на максимальной высоте. Это происходит в крайних точках траектории (точки A и C на рисунке).

Минимальна: Потенциальная энергия минимальна (равна нулю при нашем выборе нулевого уровня), когда высота груза минимальна. Это происходит в момент прохождения маятником положения равновесия (точка B на рисунке).

Ответ: Потенциальная энергия максимальна в крайних точках траектории и минимальна (равна нулю) в момент прохождения положения равновесия.