Номер 3, страница 65 - гдз по физике 9 класс учебник Кабардин

3. Объясните опыты, в которых обнаруживается способность кинетической энергии служить мерой превращения поступательного механического движения в другие формы движения материи.

Кинетическая энергия, определяемая как $E_k = \frac{1}{2}mv^2$, является мерой механического движения тела. Способность кинетической энергии служить мерой превращения этого движения в другие формы (тепловую, потенциальную, работу деформации) можно продемонстрировать на следующих опытах.

1. Эксперимент с неупругим соударением

Рассмотрим абсолютно неупругое столкновение двух тел, например, двух пластилиновых шариков. Пусть они движутся навстречу друг другу. До столкновения каждый шарик обладает кинетической энергией поступательного движения. В момент удара шарики деформируются и слипаются в одно целое. При этом их общая скорость после столкновения, согласно закону сохранения импульса, будет меньше скоростей до столкновения, а значит, и суммарная кинетическая энергия системы уменьшится.

Возникает вопрос: куда исчезла часть кинетической энергии? Она не исчезает бесследно, а переходит в другие формы. В данном случае, механическая энергия движения превращается:

• во внутреннюю энергию тел (шарики нагреваются);
• в энергию, затраченную на необратимую пластическую деформацию тел (изменение их формы).

Если измерить температуру шариков до и после столкновения, можно убедиться, что они нагрелись. Чем больше была начальная кинетическая энергия, тем сильнее будет нагрев и заметнее деформация. Таким образом, величина потерянной кинетической энергии $|\Delta E_k|$ является количественной мерой произведенной работы по деформации и выделившейся теплоты $\text{Q}$.

Ответ: В опыте с неупругим столкновением кинетическая энергия поступательного движения тел превращается во внутреннюю энергию (теплоту) и энергию деформации. Величина этого превращения прямо пропорциональна убыли кинетической энергии, что доказывает её роль как меры этого процесса.

2. Эксперимент с торможением силой трения

Представим тело (например, деревянный брусок), которое скользит по горизонтальной поверхности и останавливается под действием силы трения. В начальный момент времени тело обладало кинетической энергией $E_k = \frac{1}{2}mv^2$. В процессе торможения скорость тела уменьшается до нуля, и его кинетическая энергия также становится равной нулю.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа всех сил, действующих на тело, равна изменению его кинетической энергии. В данном случае, работа силы трения $A_{тр}$ равна: $A_{тр} = \Delta E_k = 0 - \frac{1}{2}mv^2 = -\frac{1}{2}mv^2$.

Работа силы трения всегда приводит к выделению теплоты. Количество выделившейся теплоты $\text{Q}$ равно модулю работы силы трения: $Q = |A_{тр}| = \frac{1}{2}mv^2$. Это означает, что вся начальная кинетическая энергия тела полностью преобразовалась в тепловую энергию, которая пошла на нагрев самого тела и поверхности, по которой оно двигалось.

Этот опыт наглядно показывает, что кинетическая энергия является точной мерой превращения механического движения в тепловое. Если увеличить начальную скорость тела в 2 раза, его кинетическая энергия возрастет в 4 раза, и, соответственно, в 4 раза больше теплоты выделится при торможении.

Ответ: В опыте с торможением тела силой трения вся его начальная кинетическая энергия превращается в теплоту. Количество выделившейся теплоты в точности равно начальной кинетической энергии, что демонстрирует её способность служить мерой превращения механического движения в тепловое.

3. Эксперимент с забиванием сваи

Работа сваебойной машины (копра) является ярким примером превращения кинетической энергии в работу. Тяжелый молот поднимают на некоторую высоту, сообщая ему потенциальную энергию. При падении потенциальная энергия переходит в кинетическую, и непосредственно перед ударом о сваю молот обладает максимальной кинетической энергией $E_k$.

При ударе молот останавливается, а его кинетическая энергия совершает работу $\text{A}$ по внедрению сваи в грунт, преодолевая силы сопротивления грунта. Часть энергии также переходит в тепло (нагрев сваи и молота) и звук. Однако основной результат — это совершение работы: $E_k \approx A = F \cdot d$, где $\text{F}$ — средняя сила сопротивления грунта, а $\text{d}$ — глубина, на которую забивается свая.

Чем больше кинетическая энергия молота (т.е. чем больше его масса или высота падения), тем большую работу он может совершить, то есть забить сваю на большую глубину или преодолеть большее сопротивление грунта. Этот опыт показывает, что кинетическая энергия является мерой способности движущегося тела совершать работу, то есть мерой превращения механического движения в другую форму — в данном случае, в работу против внешних сил.

Ответ: В опыте с забиванием сваи кинетическая энергия молота преобразуется в работу по перемещению сваи в грунте. Величина совершаемой работы напрямую определяется начальной кинетической энергией молота, что подтверждает роль кинетической энергии как меры данного преобразования.