Номер 3, страница 204 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Глава 4. Работа и мощность. Энергия. Параграф 60. Превращение механической энергии одного вида в другой. Ответь на вопросы - номер 3, страница 204.

Условие.

3. Приведите примеры физических явлений, в которых кинетическая и потенциальная энергия переходят друг в друга.

Решение.

Решение 2.

Превращение кинетической и потенциальной энергий друг в друга является фундаментальным процессом во многих физических явлениях. Вот несколько примеров:

• Колебания маятника: В крайних верхних точках траектории, где маятник на мгновение останавливается, его кинетическая энергия ($E_k$) равна нулю, а потенциальная энергия ($E_p$), обусловленная высотой над положением равновесия, максимальна. При движении к положению равновесия высота уменьшается, а скорость растет. Потенциальная энергия переходит в кинетическую. В нижней точке траектории (положении равновесия) потенциальная энергия минимальна (можно принять за ноль), а кинетическая энергия максимальна. Затем, при движении вверх, кинетическая энергия снова преобразуется в потенциальную.
• Падение и отскок мяча: Мяч, поднятый над землей, обладает потенциальной энергией. Когда его отпускают, он начинает падать, и его потенциальная энергия превращается в кинетическую. Непосредственно перед ударом о землю кинетическая энергия максимальна. Во время удара происходит деформация мяча, и кинетическая энергия переходит в потенциальную энергию упругой деформации. Затем эта потенциальная энергия снова переходит в кинетическую, заставляя мяч отскочить вверх. При подъеме мяча его кинетическая энергия опять преобразуется в потенциальную гравитационную энергию.
• Движение по "американским горкам": В самой высокой точке аттракциона вагонетка обладает максимальным запасом потенциальной энергии. При спуске вниз эта энергия переходит в кинетическую, и скорость вагонетки увеличивается. При последующем подъеме на другой холм происходит обратное превращение: кинетическая энергия уменьшается, а потенциальная увеличивается.
• Выстрел из лука: Когда тетива лука натянута, система "лук-тетива" обладает потенциальной энергией упругой деформации. При отпускании тетивы эта энергия преобразуется в кинетическую энергию летящей стрелы.

Во всех этих примерах полная механическая энергия системы (сумма кинетической и потенциальной энергий, $E = E_k + E_p$) остается постоянной, если пренебречь силами сопротивления, такими как трение и сопротивление воздуха.

Ответ: Примерами явлений, в которых происходит взаимное превращение кинетической и потенциальной энергий, являются колебания маятника, падение и отскок мяча, движение на американских горках, выстрел из лука. В этих процессах, при отсутствии сил трения, полная механическая энергия системы сохраняется.

4. Можно предложить следующий эксперимент для демонстрации и подтверждения превращения энергии из одного вида в другой и закона сохранения механической энергии на примере математического маятника.

Цель эксперимента: Показать, что при колебаниях маятника потенциальная энергия переходит в кинетическую и обратно, а полная механическая энергия системы остается примерно постоянной.

Оборудование:

• Штатив с муфтой и лапкой.
• Нить.
• Тяжелый шарик (груз).
• Измерительная лента или линейка.

Ход эксперимента:

1. Соберем установку: подвесим шарик на нити к лапке штатива. Это наш маятник.
2. Отметим положение равновесия маятника – самую нижнюю точку его траектории. Примем высоту в этой точке за нулевой уровень потенциальной энергии ($h=0$).
3. Отведем шарик в сторону на некоторую высоту $h_1$ относительно положения равновесия. Эту высоту можно измерить с помощью линейки. В этой верхней точке шарик неподвижен, поэтому его скорость равна нулю, а значит, и кинетическая энергия ($E_k = \frac{mv^2}{2}$) равна нулю. Вся механическая энергия системы представлена потенциальной энергией: $E_1 = E_p = mgh_1$, где $m$ – масса шарика, а $g$ – ускорение свободного падения.
4. Отпустим шарик без начального толчка. Он начнет двигаться к положению равновесия. В ходе этого движения его высота $h$ будет уменьшаться, а скорость $v$ – увеличиваться. Это означает, что потенциальная энергия $E_p$ переходит в кинетическую $E_k$.
5. При прохождении положения равновесия ($h=0$) высота маятника минимальна, следовательно, его потенциальная энергия также минимальна (равна нулю). Зато скорость, а вместе с ней и кинетическая энергия $E_k = \frac{mv_{max}^2}{2}$, достигают своего максимального значения. В этот момент вся начальная потенциальная энергия перешла в кинетическую: $E_2 = E_k = \frac{mv_{max}^2}{2}$.
6. Далее шарик продолжит движение вверх, в противоположную сторону. Теперь его скорость будет уменьшаться, а высота – увеличиваться. Кинетическая энергия будет снова переходить в потенциальную.
7. Наблюдаем, на какую высоту $h_2$ поднимется шарик с другой стороны. В идеальной системе, где нет потерь энергии на трение в точке подвеса и на сопротивление воздуха, шарик должен подняться на ту же самую высоту, с которой его отпустили, то есть $h_2 = h_1$.

Вывод: Тот факт, что маятник после прохождения нижней точки снова поднимается почти на ту же начальную высоту, доказывает, что энергия не исчезла, а лишь преобразовалась из потенциальной в кинетическую и обратно. Небольшая разница в высоте подъема ($h_2 < h_1$) в реальном эксперименте объясняется неизбежными потерями энергии из-за сил трения и сопротивления воздуха. Таким образом, эксперимент подтверждает явление превращения видов механической энергии и справедливость закона сохранения энергии в замкнутой системе (с оговоркой на диссипативные силы).

Ответ: Эксперимент с математическим маятником, в ходе которого измеряется начальная высота отклонения и наблюдается высота подъема после прохождения положения равновесия, наглядно демонстрирует переход потенциальной энергии в кинетическую и обратно, а также подтверждает закон сохранения механической энергии (с учетом потерь на трение).