Номер 1, страница 222, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 6. Механические колебания и волны. Параграф 54. Превращения энергии при колебаниях. Затухающие колебания. Вопросы и задания - номер 1, страница 222.

Условие.

1. Какие превращения энергии происходят при колебаниях маятника?

Решение.

1. При колебаниях маятника происходят непрерывные взаимные превращения двух видов механической энергии: потенциальной и кинетической. Полная механическая энергия маятника является суммой этих двух энергий: $E = E_п + E_к$.

В идеальной системе, где отсутствуют силы трения и сопротивление воздуха, полная механическая энергия сохраняется. Процесс преобразования энергии происходит следующим образом.

Когда маятник отклонен в крайнее положение, он находится на максимальной высоте относительно положения равновесия и на мгновение замирает. В этой точке его скорость равна нулю, поэтому кинетическая энергия ($E_к = \frac{mv^2}{2}$) равна нулю. Зато потенциальная энергия, зависящая от высоты ($E_п = mgh$), достигает своего максимального значения. Вся энергия маятника — потенциальная.

Когда маятник начинает движение к положению равновесия, его высота уменьшается, а скорость растет. Это означает, что потенциальная энергия преобразуется в кинетическую.

В момент прохождения положения равновесия (самой нижней точки траектории) маятник имеет максимальную скорость и минимальную (нулевую) высоту. Следовательно, его потенциальная энергия равна нулю, а кинетическая энергия достигает своего максимума. В этот момент вся энергия маятника — кинетическая.

Продолжая движение к другому крайнему положению, маятник поднимается, его скорость уменьшается. Происходит обратное преобразование: кинетическая энергия переходит в потенциальную. Достигнув противоположной крайней точки, маятник снова останавливается, и его энергия опять становится полностью потенциальной.

Таким образом, в течение всего колебания происходит непрерывный переход энергии из одного вида в другой: $E_п \rightarrow E_к \rightarrow E_п$.

В реальных условиях всегда существуют силы трения (в точке подвеса) и сопротивление воздуха. Из-за них часть механической энергии маятника переходит во внутреннюю (тепловую) энергию, нагревая сам маятник и окружающую среду. Это приводит к тому, что колебания затухают: их амплитуда с каждым разом уменьшается, и в конце концов маятник останавливается.

Ответ: При колебаниях маятника происходит периодическое превращение потенциальной энергии в кинетическую и обратно. В крайних точках траектории потенциальная энергия максимальна, а кинетическая равна нулю. В положении равновесия, наоборот, кинетическая энергия максимальна, а потенциальная минимальна (равна нулю). В реальных условиях часть механической энергии также переходит во внутреннюю (тепловую) энергию из-за сил трения.