Хорошо, давайте разберем эту лабораторную работу по физике.
6. Вычислите:
а) вес груза \(P = mg\);
б) увеличение потенциальной энергии пружины \(E_{пр} = \frac{Fx}{2}\);
в) уменьшение потенциальной энергии груза \(|\Delta E_{гр}| = P(h_1 - h_2)\).
7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу, помещенную в тетради для лабораторных работ.
Для заполнения таблицы нужны данные измерений, которые не представлены на изображении. Предположим, что у нас есть следующие гипотетические данные для примера:
| \(h_1\), м |
\(x\), м |
\(h_2\), м |
\(F\), Н |
\(P = mg\), Н |
\(E_{пр} = \frac{Fx}{2}\), Дж |
\(|\Delta E_{гр}| = P(h_1 - h_2)\), Дж |
\(E_{пр} / |\Delta E_{гр}|\) |
| 0,20 |
0,05 |
0,15 |
10 |
10 |
0,25 |
0,50 |
0,5 |
| 0,25 |
0,10 |
0,15 |
20 |
20 |
1,00 |
2,00 |
0,5 |
| 0,30 |
0,15 |
0,15 |
30 |
30 |
2,25 |
4,50 |
0,5 |
Примечание: В реальной лабораторной работе вы должны будете измерить \(h_1\), \(x\), \(h_2\) и \(F\) (сила, растягивающая пружину, которая равна весу груза \(P\)). Затем, используя эти данные, вычислить остальные величины.
8. Найдите значение отношения \(E_{пр} / |\Delta E_{гр}|\).
Используя гипотетические данные из таблицы выше, мы видим, что отношение \(E_{пр} / |\Delta E_{гр}|\) равно 0,5 для всех измерений.
9. Сравните полученное отношение с единицей и запишите в тетради для лабораторных работ сделанный вывод; укажите, какие превращения энергии происходили при движении груза вниз.
Полученное отношение \(E_{пр} / |\Delta E_{гр}|\) (в нашем примере 0,5) меньше единицы.
Вывод: При движении груза вниз его потенциальная энергия уменьшается, а потенциальная энергия пружины увеличивается. Однако, увеличение потенциальной энергии пружины меньше, чем уменьшение потенциальной энергии груза. Это означает, что часть энергии рассеивается, например, в виде теплоты из-за трения или сопротивления воздуха.
Превращения энергии:
При движении груза вниз происходит превращение потенциальной энергии груза (гравитационной) в потенциальную энергию деформированной пружины и в другие виды энергии (например, тепловую, звуковую) из-за потерь.
Проанализируйте результаты измерений.
(Анализ проведен в пункте 9)
Контрольные вопросы в дополнение к лабораторной работы.
1. Какова зависимость деформации пружины от величины работы силы упругости?
Работа силы упругости при деформации пружины равна изменению её потенциальной энергии. Потенциальная энергия пружины \(E_{пр} = \frac{kx^2}{2}\), где \(k\) - коэффициент жесткости пружины, а \(x\) - её деформация.
Таким образом, работа силы упругости прямо пропорциональна квадрату деформации пружины.
2. Чем отличается работа силы упругости, совершенная при растяжении и при сжатии?
Работа силы упругости при растяжении и при сжатии пружины по модулю одинакова, если деформация одинакова. Однако, направление силы упругости при растяжении направлено на сжатие пружины, а при сжатии - на растяжение. Если мы говорим о работе внешней силы, то при растяжении внешняя сила совершает положительную работу, а сила упругости - отрицательную. При сжатии также. Если же мы говорим о работе самой силы упругости, то она всегда направлена на возвращение пружины в недеформированное состояние.
3. Как связана работа силы упругости с потенциальной энергией упруго деформированного тела?
Работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии упруго деформированного тела, взятому с противоположным знаком. То есть, \(A_{упр} = -\Delta E_{пр}\). Если пружина деформируется, её потенциальная энергия увеличивается, а работа силы упругости, направленной на возвращение пружины в исходное состояние, будет отрицательной (если деформация увеличивается). Если пружина возвращается в исходное состояние, её потенциальная энергия уменьшается, а сила упругости совершает положительную работу.
4. Почему мы говорим о потенциальной энергии поднятого тела, а не об энергии системы «тело – Земля»?
Строго говоря, потенциальная энергия всегда является энергией системы взаимодействующих тел. В случае поднятого тела, это энергия системы "тело – Земля", так как потенциальная энергия обусловлена гравитационным взаимодействием между телом и Землей. Однако, для упрощения и удобства, когда масса Земли намного больше массы тела и её положение считается неизменным, мы часто говорим о потенциальной энергии самого тела, подразумевая его положение относительно Земли. Это упрощение не меняет физического смысла, но делает формулировку более лаконичной.
5. Зависит ли потенциальная энергия поднятого тела от выбора нулевого уровня?
Да, потенциальная энергия поднятого тела зависит от выбора нулевого уровня. Формула для потенциальной энергии \(E_p = mgh\), где \(h\) - высота относительно выбранного нулевого уровня. Если изменить нулевой уровень, то изменится и значение \(h\), а следовательно, и значение потенциальной энергии. Однако, изменение потенциальной энергии \(\Delta E_p = mg(h_2 - h_1)\) не зависит от выбора нулевого уровня, так как разность высот \((h_2 - h_1)\) остается неизменной. Именно изменение потенциальной энергии имеет физический смысл и используется в расчетах работы.
Сделайте и запишите вывод. Вывод:
В ходе лабораторной работы было изучено превращение энергии при движении груза, подвешенного к пружине. Было установлено, что при уменьшении потенциальной энергии груза происходит увеличение потенциальной энергии пружины. Однако, увеличение потенциальной энергии пружины оказалось меньше, чем уменьшение потенциальной энергии груза, что указывает на наличие потерь энергии (например, на трение или сопротивление воздуха), которые превращаются в другие виды энергии, такие как тепловая. Это подтверждает закон сохранения энергии с учетом всех видов энергии и их превращений.
