Задание, страница 191 - гдз по физике 7 класс учебник Закирова, Аширов

Задание

Приведите примеры механической работы. Докажите, что работа совершена в результате превращения одного вида энергии в другой. Обсудите пример и доказательство в классе.

Механическая работа совершается, когда на тело действует сила, и оно перемещается под действием этой силы. Связь между работой и энергией является фундаментальным принципом физики: работа является мерой энергии, переданной от одного тела к другому или преобразованной из одного вида в другой.

Примеры механической работы

1. Человек поднимает штангу: мускульная сила человека совершает работу против силы тяжести, перемещая штангу вверх.

2. Ветер надувает парус лодки: сила давления ветра совершает работу, перемещая лодку по воде.

3. Торможение автомобиля: сила трения (тормозная сила) совершает отрицательную работу, уменьшая скорость автомобиля.

4. Падение яблока с ветки: сила тяжести совершает работу, увеличивая скорость яблока при его движении к земле.

Доказательство того, что работа совершена в результате превращения одного вида энергии в другой

Рассмотрим два примера, которые доказывают, что совершение работы всегда сопровождается превращением энергии. В основе доказательства лежит теорема об изменении энергии: работа, совершаемая над телом, равна изменению его энергии.

Пример 1: Поднятие груза

Представим, что человек поднимает груз массой $\text{m}$ на высоту $\text{h}$. Для этого он прикладывает силу $\text{F}$, направленную вертикально вверх. Если считать, что груз поднимается равномерно, то приложенная сила по модулю равна силе тяжести: $F = mg$.

Механическая работа $\text{A}$, совершённая человеком, вычисляется по формуле:

$A = F \cdot h = mgh$

Теперь проанализируем изменение энергии. В начальный момент груз покоился на земле, его потенциальная энергия ($E_{p1}$) была равна нулю. Когда груз подняли на высоту $\text{h}$, его потенциальная энергия стала равна $E_{p2} = mgh$.

Изменение потенциальной энергии груза составило $\Delta E_p = E_{p2} - E_{p1} = mgh - 0 = mgh$.

Мы видим, что совершённая работа $\text{A}$ в точности равна изменению потенциальной энергии груза $\Delta E_p$.

Откуда взялась эта энергия? Она возникла за счет преобразования внутренней (химической) энергии, запасенной в мышцах человека. Таким образом, человек, совершая работу, преобразовал свою внутреннюю энергию в потенциальную энергию груза.

Ответ: Механическая работа по поднятию груза ($A = mgh$) является процессом, в ходе которого внутренняя энергия человека, совершающего работу, преобразуется в потенциальную энергию груза ($\Delta E_p = mgh$). Это доказывает, что работа — это мера преобразованной энергии.

Пример 2: Падение тела под действием силы тяжести

Рассмотрим тело массой $\text{m}$, падающее с высоты $\text{h}$. На него действует сила тяжести $F_g = mg$. Эта сила совершает работу, так как тело перемещается в направлении действия силы.

Работа силы тяжести $A_g$ на пути $\text{h}$ равна:

$A_g = F_g \cdot h = mgh$

Проследим за изменением энергии тела. В начальный момент времени на высоте $\text{h}$ тело обладает максимальной потенциальной энергией $E_{p1} = mgh$ и, если оно начинает падать из состояния покоя, нулевой кинетической энергией $E_{k1} = 0$.

В процессе падения высота уменьшается, а скорость увеличивается. Это означает, что потенциальная энергия превращается в кинетическую. Прямо перед соприкосновением с землей (на высоте $h \approx 0$) потенциальная энергия тела становится равной нулю ($E_{p2} = 0$), а кинетическая энергия достигает максимального значения $E_{k2} = \frac{1}{2}mv^2$.

Согласно закону сохранения механической энергии (пренебрегая сопротивлением воздуха), вся начальная потенциальная энергия переходит в конечную кинетическую: $E_{p1} = E_{k2}$, то есть $mgh = \frac{1}{2}mv^2$.

Работа, совершённая силой тяжести, $A_g = mgh$, в точности равна убыли потенциальной энергии тела и одновременно равна приращению его кинетической энергии.

Ответ: При падении тела работа силы тяжести ($A_g = mgh$) является физическим процессом, в ходе которого происходит преобразование потенциальной энергии тела в его кинетическую энергию. Совершенная работа количественно равна энергии, которая перешла из одного вида в другой, что подтверждает их неразрывную связь.