Номер 3, страница 132 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

3. Пользуясь рисунком 115, объясните, какие изменения энергии происходят в опыте с движущимся шаром.

Рис. 115

Решение

В данном опыте мы наблюдаем колебания шара, прикрепленного к пружинам. В ходе этого процесса происходят непрерывные взаимные превращения двух видов механической энергии: кинетической энергии $E_к$ движущегося шара и потенциальной энергии $E_п$ упруго деформированных пружин.

Рассмотрим, как изменяется энергия в различных точках траектории движения шара, показанных на рисунке 115.

1. В точке A (крайнее левое положение) шар на мгновение останавливается, поэтому его скорость равна нулю ($v = 0$). Следовательно, кинетическая энергия шара в этот момент также равна нулю ($E_к = 0$). В этом положении левая пружина максимально сжата, а правая максимально растянута, то есть деформация пружин максимальна. Поэтому потенциальная энергия упругой деформации пружин достигает своего максимального значения ($E_п = \text{max}$). Вся механическая энергия системы сосредоточена в виде потенциальной энергии: $E = E_{п\_{max}}$.

2. При движении от точки A к точке O (положение равновесия) сила упругости пружин разгоняет шар. Его скорость постепенно увеличивается, а значит, растет и его кинетическая энергия $E_к$. Одновременно с этим деформация пружин уменьшается, что приводит к уменьшению их потенциальной энергии $E_п$. Таким образом, на этом участке пути происходит преобразование потенциальной энергии в кинетическую.

3. В точке O (положение равновесия) пружины находятся в недеформированном состоянии. Поэтому их потенциальная энергия равна нулю ($E_п = 0$). В этот момент скорость шара, а следовательно и его кинетическая энергия, достигают максимального значения ($E_к = \text{max}$). Вся механическая энергия системы перешла в кинетическую форму: $E = E_{к\_{max}}$.

4. При движении от точки O к точке B шар продолжает двигаться вправо по инерции, растягивая левую пружину и сжимая правую. Возникающая сила упругости направлена против движения и тормозит шар. Его скорость уменьшается, что приводит к уменьшению кинетической энергии $E_к$. Одновременно с этим деформация пружин растет, а вместе с ней и их потенциальная энергия $E_п$. На этом участке происходит обратное преобразование: кинетическая энергия переходит в потенциальную.

5. В точке B (крайнее правое положение) шар снова на мгновение останавливается ($v = 0$), и его кинетическая энергия обращается в нуль ($E_к = 0$). Деформация пружин снова максимальна, и потенциальная энергия системы достигает своего максимального значения ($E_п = \text{max}$).

Далее шар начинает движение в обратном направлении, и весь цикл превращений энергии повторяется. В идеальной системе, где нет трения и сопротивления воздуха, полная механическая энергия, равная сумме кинетической и потенциальной энергий ($E = E_к + E_п$), остается постоянной на протяжении всего времени движения.

Ответ: В опыте с движущимся шаром происходят периодические взаимные превращения энергии. В крайних точках колебаний (A и B) кинетическая энергия шара равна нулю, а потенциальная энергия пружин максимальна. При прохождении положения равновесия (O) потенциальная энергия пружин равна нулю, а кинетическая энергия шара максимальна. В промежуточных положениях система обладает как кинетической, так и потенциальной энергией. При отсутствии сил трения полная механическая энергия системы ($E = E_к + E_п$) сохраняется, происходит лишь переход энергии из одного вида в другой.