Ответьте на вопросы, страница 193 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему закон сохранения полной механической энергии выполняется только для замкнутых систем тел?

2. Почему при действии силы трения полная механическая энергия тела уменьшается?

3. Почему энергию ветра, воды, приливов называют возобновляемыми источниками энергии? Почему человечество не ограничивается только этими видами энергии?

1. Закон сохранения полной механической энергии утверждает, что полная механическая энергия $\text{E}$ замкнутой системы тел, в которой действуют только консервативные силы, остаётся постоянной. Полная механическая энергия является суммой кинетической ($E_k$) и потенциальной ($E_p$) энергий системы: $E = E_k + E_p = \text{const}$.

Рассмотрим, почему это справедливо именно для замкнутых систем.

Во-первых, система называется замкнутой (или изолированной), если на тела системы не действуют внешние силы, или их векторная сумма равна нулю. Согласно теореме об изменении полной механической энергии, изменение энергии системы $ \Delta E $ равно сумме работ всех внешних сил $A_{внешн}$ и внутренних неконсервативных сил $A_{неконс}$ (например, силы трения): $\Delta E = A_{внешн} + A_{неконс}$.

Для замкнутой системы работа внешних сил равна нулю ($A_{внешн} = 0$). Таким образом, для сохранения механической энергии ($\Delta E = 0$) необходимо, чтобы работа внутренних неконсервативных сил также была равна нулю ($A_{неконс} = 0$).

Следовательно, закон сохранения полной механической энергии выполняется для систем, которые являются замкнутыми (изолированы от внешних воздействий) и в которых все внутренние силы являются консервативными (или работа неконсервативных сил равна нулю). Если на систему действуют внешние силы или внутренние силы трения, её полная механическая энергия изменяется.

Ответ: Закон сохранения полной механической энергии выполняется только для замкнутых систем, так как в таких системах отсутствует работа внешних сил, которая могла бы изменить общую энергию системы. Кроме того, для сохранения именно механической энергии необходимо, чтобы внутри системы отсутствовали неконсервативные силы (например, трение), работа которых приводила бы к переходу механической энергии в другие виды, например, в тепловую.

2. Полная механическая энергия тела или системы тел уменьшается при действии силы трения, потому что сила трения является диссипативной, или неконсервативной силой. Это означает, что работа, совершаемая этой силой, зависит от траектории и приводит к рассеянию (диссипации) механической энергии.

Согласно теореме об изменении полной механической энергии, её изменение $\Delta E$ равно работе $A_{тр}$, совершаемой силой трения (если другие неконсервативные и внешние силы отсутствуют): $\Delta E = A_{тр}$.

Сила трения скольжения всегда направлена противоположно вектору скорости тела, то есть против направления движения. Поэтому работа силы трения всегда отрицательна ($A_{тр} < 0$). Так как $A_{тр}$ отрицательна, то и изменение полной механической энергии $\Delta E$ также будет отрицательным: $\Delta E = E_{конечная} - E_{начальная} < 0$.

Отрицательное изменение энергии означает, что конечная механическая энергия системы меньше начальной, то есть она уменьшается. "Потерянная" механическая энергия не исчезает бесследно, а в соответствии с общим законом сохранения энергии переходит в другие формы, в основном во внутреннюю энергию (теплоту). Это проявляется в нагреве трущихся поверхностей.

Ответ: Сила трения — неконсервативная сила, направленная против движения. Её работа всегда отрицательна. Так как изменение полной механической энергии равно работе силы трения, механическая энергия уменьшается. Она превращается в другие виды энергии, преимущественно во внутреннюю (тепловую).

3. Энергию ветра, воды (гидроэнергию) и приливов называют возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ), потому что их запасы пополняются естественным путем в масштабах времени, сопоставимых с человеческой жизнью. Они не исчерпываются в процессе использования, в отличие от ископаемого топлива (нефти, угля, газа).

• Энергия ветра возникает из-за неравномерного нагрева Земли Солнцем, что создает разницу в давлении атмосферы. Пока светит Солнце, будет и ветер.
• Энергия воды (гидроэнергия рек) используется благодаря круговороту воды в природе, который также приводится в движение солнечной энергией.
• Энергия приливов и отливов вызвана гравитационным воздействием Луны и Солнца на Землю. Этот процесс стабилен и предсказуем.

Тем не менее, человечество не может ограничиться только этими видами энергии по ряду причин:

1. Нестабильность и прерывистость. Производство энергии зависит от погодных условий: ветер дует не всегда, реки могут мелеть в засушливые периоды, а приливные электростанции вырабатывают энергию циклически. Это требует создания сложных и дорогих систем накопления и резервирования энергии.
2. Географическая ограниченность. Эффективные ветровые, гидро- и приливные электростанции можно строить только в определённых местах, где есть подходящие природные условия (сильные ветры, полноводные реки с перепадом высот, высокие приливы).
3. Высокая капиталоёмкость и воздействие на окружающую среду. Строительство крупных объектов ВИЭ (например, ГЭС) требует огромных первоначальных вложений, а также может оказывать негативное влияние на окружающую среду: затопление территорий, изменение экосистем, влияние на миграцию рыб, шум и вибрация от ветрогенераторов.
4. Проблема масштабирования и плотности энергии. Современная цивилизация потребляет огромное количество энергии. Ископаемое топливо обладает очень высокой плотностью энергии, что позволяет получать большое её количество из малого объёма вещества. Возобновляемые источники имеют меньшую плотность, поэтому для выработки сопоставимого количества энергии требуются очень большие площади (под ветропарки, солнечные фермы, водохранилища).
5. Существующая инфраструктура. Глобальная энергетическая система десятилетиями выстраивалась на основе ископаемого топлива, и её быстрая и полная перестройка на ВИЭ — это чрезвычайно сложная, дорогая и длительная задача.

Ответ: Эти источники энергии называют возобновляемыми, так как они пополняются за счет естественных процессов (солнечная активность, гравитация Луны). Человечество не ограничивается ими из-за их нестабильности, географической привязки, высокой стоимости, экологических последствий строительства и более низкой плотности энергии по сравнению с ископаемым топливом, на котором основана существующая мировая энергетическая инфраструктура.