Объясните, страница 176 - гдз по физике 7 класс учебник Кронгарт, Даданбеков

Объясните

1. Всегда ли выполняется закон сохранения механической энергии?

2. Объясните, как изменяются потенциальная и кинетическая энергии мяча, брошенного вертикально вверх, в процессе его полета.

1. Закон сохранения механической энергии выполняется не всегда. Этот закон является фундаментальным, но его применимость ограничена определёнными условиями. Он утверждает, что полная механическая энергия, то есть сумма кинетической и потенциальной энергий, замкнутой системы тел остаётся постоянной. Однако это справедливо только в том случае, если в системе действуют исключительно консервативные силы (такие как сила тяжести и сила упругости) или если работа неконсервативных сил равна нулю. Если же в системе присутствуют неконсервативные (диссипативные) силы, например, сила трения или сила сопротивления воздуха, то механическая энергия не сохраняется. Работа этих сил приводит к превращению части механической энергии в другие формы, чаще всего во внутреннюю (тепловую) энергию. Таким образом, полная механическая энергия системы уменьшается. В то же время, более общий закон сохранения энергии, который учитывает все виды энергии (механическую, тепловую, электромагнитную и т.д.), выполняется всегда.

Ответ: Нет, закон сохранения механической энергии выполняется только для замкнутых систем, в которых работа всех неконсервативных сил (например, сил трения) равна нулю. В реальных условиях из-за наличия таких сил часть механической энергии обычно переходит в другие виды, например, в тепловую.

2. Рассмотрим изменение энергий мяча, брошенного вертикально вверх, по этапам его полёта. Полная механическая энергия мяча $E$ является суммой его кинетической $E_k$ и потенциальной $E_p$ энергий: $E = E_k + E_p$. Кинетическая энергия зависит от скорости ($E_k = \frac{mv^2}{2}$), а потенциальная энергия в поле тяготения Земли — от высоты ($E_p = mgh$).

1. В момент броска (у поверхности земли, h ≈ 0): мячу сообщают максимальную начальную скорость. Поэтому его кинетическая энергия $E_k$ в этот момент максимальна, а потенциальная энергия $E_p$, которую мы принимаем за ноль на этом уровне, минимальна.

2. Во время подъёма: под действием силы тяжести скорость мяча уменьшается, а высота подъёма увеличивается. Следовательно, его кинетическая энергия $E_k$ уменьшается, а потенциальная энергия $E_p$ растёт. Происходит преобразование кинетической энергии в потенциальную.

3. В наивысшей точке траектории: мяч на мгновение останавливается, его скорость становится равной нулю. В этот момент его кинетическая энергия $E_k$ равна нулю (минимальное значение), а высота $h$ максимальна. Соответственно, потенциальная энергия $E_p$ достигает своего максимального значения.

4. Во время падения: под действием силы тяжести мяч начинает двигаться вниз, его скорость увеличивается, а высота уменьшается. В результате потенциальная энергия $E_p$ уменьшается, а кинетическая энергия $E_k$ растёт. Происходит обратное преобразование потенциальной энергии в кинетическую.

Если пренебречь сопротивлением воздуха, то на протяжении всего полёта полная механическая энергия мяча $E = E_k + E_p$ остаётся постоянной. В реальных условиях сила сопротивления воздуха совершает отрицательную работу, из-за чего часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию (тепло), и полная механическая энергия мяча постепенно уменьшается.

Ответ: При полёте мяча вверх его кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная увеличивается. В верхней точке кинетическая энергия равна нулю, а потенциальная максимальна. При падении вниз, наоборот, потенциальная энергия уменьшается, а кинетическая растёт. Таким образом, происходит непрерывное взаимное превращение кинетической и потенциальной энергий.