Анализ утверждений о работе и энергии
Вопрос: Какие из следующих утверждений справедливы?
Рассмотрим каждое утверждение по порядку:
1. "кинетическая энергия тела может быть положительной и отрицательной"
Кинетическая энергия определяется формулой:
\[E_к = \frac{m \cdot v^2}{2}\]где \(m\) — масса тела (всегда положительная), а \(v\) — скорость тела. Скорость в квадрате (\(v^2\)) всегда будет неотрицательной (либо положительной, либо равной нулю, если тело покоится). Следовательно, кинетическая энергия всегда положительна (если тело движется) или равна нулю (если тело покоится). Она никогда не может быть отрицательной.
Вывод: Это утверждение несправедливо.
2. "полная энергия системы никогда не может быть отрицательной"
Полная энергия системы — это сумма кинетической и потенциальной энергии. Кинетическая энергия всегда неотрицательна. Однако потенциальная энергия может быть как положительной, так и отрицательной, в зависимости от выбора нулевого уровня отсчета. Например, если мы выберем нулевой уровень потенциальной энергии выше положения тела, то потенциальная энергия тела будет отрицательной. Если абсолютное значение отрицательной потенциальной энергии больше, чем кинетическая энергия, то полная энергия системы может быть отрицательной. Это часто встречается в связанных системах (например, в гравитационно связанных системах, таких как планеты вокруг звезды, или электронах в атоме), где полная энергия отрицательна, что указывает на то, что система находится в связанном состоянии и для ее разделения требуется затратить энергию.
Вывод: Это утверждение несправедливо.
3. "можно определить потенциальную энергию системы как сумму сил трения и гравитационных сил"
Потенциальная энергия — это энергия взаимодействия тел или частей одного тела, зависящая от их взаимного расположения. Она определяется для консервативных сил (например, гравитационных или упругих сил). Сила трения является неконсервативной силой, и для нее нельзя определить потенциальную энергию. Кроме того, потенциальная энергия — это энергия (скалярная величина, измеряемая в джоулях), а силы трения и гравитационные силы — это силы (векторные величины, измеряемые в ньютонах). Нельзя складывать энергию и силы, это разные физические величины.
Вывод: Это утверждение несправедливо.
4. "работа и энергия измеряются в джоулях"
В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения как работы, так и энергии является Джоуль (Дж). Это фундаментальное положение физики.
Вывод: Это утверждение справедливо.
5. "работа, совершенная силами, не может быть отрицательной"
Работа силы может быть как положительной, так и отрицательной, а также равной нулю. Работа положительна, если сила действует в направлении движения тела (угол между силой и перемещением острый). Работа отрицательна, если сила действует против направления движения тела (угол между силой и перемещением тупой, например, работа силы трения). Работа равна нулю, если сила перпендикулярна перемещению.
Вывод: Это утверждение несправедливо.
Заключение:
Единственное справедливое утверждение: "работа и энергия измеряются в джоулях".