能源和工作

Physics I

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Overview

资料来源: Ketron 米切尔韦恩博士, Asantha 库雷博士,物理系 & 天文,物理科学学院,加利福尼亚大学,加利福尼亚州欧文市

本实验演示工作能量原理。能源是科学上最重要的概念之一,并不是简单的定义。本实验将处理两种不同的能量: 重力势能和刚体的平动动能。重力势能定义为物体具有由于其位置在引力场中的能量。高出地面的对象据说有大重力势能。处于运动状态的但从一个位置到另一个对象具有刚体的平动动能。能源的最重要方面是能量的所有类型的总和能量的守恒。换句话说,总能量系统前和后任何事件可在全部或部分转移到不同种类的能源,但总energy 将之前和之后的活动。这个实验室将展示这个保护。

能量可以定义为"能够做的工作,"关乎机械能与工作。撞到静止物体的飞行弹丸对那些固定的物体,如炮弹击中砖墙和精神崩溃或锤子钉子的一块木头做的工作。在所有情况下,还有一个身体,随后经历了位移的受力。运动中的物体有能力做的工作,,因而它具有能量。在这种情况下,它是动能。在这个实验中,重力会做滑翔机的工作。

重力势能移交刚体的平动动能将证明本实验通过滑动下来空气轨在不同的角度 (即,高地),一架滑翔机从休息。势能的对象是与它的高度成正比的。在对象上作净功等于它的动能; 中的变化在这里,滑翔机将开始从休息然后获得动能。此更改动能将等于重力所做的工作,并将变化取决于滑翔机的起始高度。工作能量原理将验证通过测量起始高度和滑翔机的最终速度。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 物理学精要 I. 能源和工作. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

Principles

势能是部队与关联和存储在对象中。它取决于对象相对于其周围环境的位置。离地面引发对象具有其位置相对于表面的地球重力势能。这种能量代表做工作,因为,如果该对象被释放,它会在重力的作用下,做工作后究竟它是落在的能力。例如,岩石放泥孩子工作对钉子钉入地下。

假设一个对象是朝着直线速度v0.要增加高达v1物体的速度恒定的力F需要应用于该对象。工作W完成对象上由恒定的力F被定义为产品的位移d乘以力与位移, F|平行的分量的大小

W = F|d.(方程 1)

在移动的对象,如果力的方向平行于运动的对象,在然后净工作就等于净力倍的距离:

W = F净额d. (公式 2)

从运动学,已知对象的恒加速度的最终速度是:

v12 = v02 + 2ad。 (方程 3)

应用牛顿第二定律, F= ma,和求解加速度方程 3中的给出:

W= Fd = 疯 = md (v12 -v02 ) /(2d) = (v12 -v02 ) / 2.(方程 4)

等价的说:

W= ½ m v12-0第 ½ m v2.(方程 5)

如果刚体的平动动能定义为克 = ½ mv2然后这是只是工作能量原理: 在系统上作净功等于动能的系统中的变化。

现在考虑重力势能。如果一个物体从高度h开始掉落从休息在重力的影响下,可以使用方程 3发现最终速度的对象

v2 = 2gh。(方程 6)

从高度h坠落后, 的对象具有动能等于½ mv2 = ½ m(2gh) = mgh。这是大量工作对象下降垂直距离h后能做和被定义为,重力势能,体育:

PE = mgh,(方程 7)

其中g是重力加速度。越高的对象被放置在地面上,它有更多重力势能。重力是行事,或做工作,在对象上,所以在这种情况下, W= mgh。从工作能量原理,可知此重力势能然后应该等于动能的变化:

½ mv2 = mgh。(方程 8)

Procedure

  1. 获得空气供应、 保险杠、 不同质量的两个滑翔机、 速度传感器、 气垫导轨、 铝块和规模 (见图 1)。
  2. 在规模上放置较低质量滑翔机和记录它的质量。
  3. 连接空气供应到滑翔机轨道并将其打开。
  4. 根据滑翔机站,附近的空气供应铝块的地方。这将是最低高度配置。
  5. 在轨道顶部放置滑翔机和测量的高度, h1。测量应尊重其近似的重心。
  6. 滑翔机置于收口的跟踪和测量的较低的高度, h0。不同h1 -h0应该是高度的铝块,但执行测量以验证。
  7. 放回在轨道上方的腿和铝块,滑翔机和释放它从休息。记录其速度v跟踪使用时机盖茨底部。确保速度测点测量h0了。做了五次,并采取的平均速度。在表 1中的相应框中记录这个速度。
  8. 放置在滑翔机立场之下的另一种铝块。这将添加势能计算 3.4 厘米。重复步骤 1.7。
  9. 填写表 1。每次运行计算PE ,并计算他们之间的分歧。
  10. 重复步骤 1.2-1.9 与重滑翔机。

Figure 1
图 1: 实验设置。组件包括: (1) 空气供应,(2) 保险杠、 滑翔机 (3)、 (4) 速度传感器、 (5) 气垫导轨和 (6) 铝块。

能源是物理学中最重要的和还很模糊的概念之一幸运的是,能量与工作之间的关系可以帮助在许多物理问题的理解。

能源-特别是机械能源-常定义为能力做的工作,那就是,使净力使它移动一定距离的对象上。机械能可以进来的位置依赖于能量,称为潜在的能量和依赖于运动的能量,称为动能的形式。而潜在和动能的对象可以转换为彼此能源保护规定的法律,一个孤立系统的总能量保持不变。

本视频将介绍工作能量原理,讨论的动能和势能能量概念和能量守恒定律用于关联这些能量在实验中涉及滑翔机滑下轨道。

虽然有许多类型的能量,机械能最清楚地说明了能量是做功的能力的想法。其中一个例子是当炮弹飞进一堵砖墙。

在这种情况下,一个身体,炮弹,正常工作的对象,在墙上,由净施力,造成对象移动一定距离。工作定义为点产品所施加的力和所移动的距离。这个作用力必须按顺序的工作要做位移方向,就是只的力与位移平行组件可以做的工作。

现在,我们可以将工作涉及机械能,是动能和势能。从一个位置到另一个,如炮弹,运动的物体有平动动能和做工作的能力。

假设我们从vvf-一个过程最终速度受初始速度加快炮弹由从运动学方程。此事件需要恒定的净力,由牛顿第二定律,在某一距离应用。通过结合两个方程,并注意到刚体的平动动能定义为½mv2,很明显,在炮弹上做的工作,这是则倍 D,等于最后和初始动能的差异。这是工作能量原理。

势能的时候,一块巨石在悬崖的边缘有大重力势能。在发布之前,它有可能在地面上做工作。这个潜在的工作取决于质量的巨石,重力,加速度和下降的高度。并且这项工作前下降或 Pi 等于势能。

按照谈话的法则,能量可以转换期间的事件,但该系统的总能量必须保持不变。因此,初始的潜力和动能的总和必须等于最后的能量的总和。博尔德的初始速度和动能为零,而其最终高度和潜在的能量也是零。因此,初始的重力势能等于最后刚体的平动动能。通过使用我们以前的方程,关系的数量可以绘制速度、 高度、 质量和能量之间。

既然你已经学会了工作能量守恒定律和能量守恒定律,让我们看看如何这些概念可以应用于实验涉及机械能。

本实验包括速度传感器,气垫导轨,几个相同的铝块,一架滑翔机,可以添加到滑翔机、 规模、 空气供应和一把尺子的少量砝码。

在规模上放置滑翔机和记录它的质量。气垫导轨连接空气供应和打开它措施之一的铝块高度并在实验室笔记本记录。地方在于接近空气供应气垫导轨脚下的铝块。这将是最低的高度配置。

在其初始位置放置滑翔机然后释放它从休息。使用速度传感器,记录滑翔机速度,因为它传递的最终位置在轨道上。此过程重复五次,计算平均速度。

地方下空气轨道提高高度配置额外的铝块。衡量h之间的差异,第一和hf 像以前一样和验证这是两次铝块的高度。为此高度配置重复组的速度测量。

放置在气垫导轨,假设高度差现在块高度的三倍下最后的铝块和重复测量速度。下一步,放置一些权重,以增加滑翔机的质量,然后重复实验,测量速度在三个不同的高度。

使用从工作能量原理的公式,每次运行的动能和潜力可以计算被认识到的每个变量的单位。在 PE 表中的列中列出了不同高度的潜在的能量差异。不出所料,潜在能量系统的增加,增加的高度与重质量,显示更大的潜力,要做的工作。

刚体的平动动能值也是柯列在表中找到的。类似于势能,动能是更大更重的滑翔机和重滑翔机的最终速度却更轻的滑翔机一样。这是高度的明确从有关能量方程在哪里速度只是高度的函数。此外,速度随高度的平方根成正比的速度预期。

根据能量守恒定律,柯和 PE 列在表中的,应该一律平等,他们几乎都是。两套不同的价值观差异来自采取的预计约 10%为这种类型的实验测量中误差。

涉及工作能量原理的应用无处不在涉及各种不同形式的能源。

过山车是机械能转换一个完美的例子。大规模的过山车最初被推向大高度在一个陡峭的斜坡。顶部的倾斜而获得的大量潜在能量然后转换为动能为其他的骑。在骑飞车经验经常交流潜力和动能。

化学反应也表现出能量转换与能量通常被化学势能和热能之间交换。如果反应为放热反应,势能是释放出作为热环境,而相反的是真正为吸热反应。一些放热的反应可以是爆炸从而产生动能所做的工作及其周围地区。

你刚看了朱庇特的能量和武力工作介绍。现在,您应该了解的概念和工作能量原理和能量守恒定律是动能和潜力如何与交流的重要性。谢谢观赏 !

Results

示例计算初始势能在不同高度的值在表 1,发现使用方程 7 PE列中列出。实验测出的最终速度也是在表中。使用这些测量的值的最终速度计算刚体的平动动能。根据动能定理,PE列在表中的,应该一律平等,他们几乎都是。在这两个值的差异只是来自采取在实验中,在那里可以从这种类型的实验预期的 10%左右的差异百分比测量中误差。

请注意,随着初始高度的增加,最终的速度也会增加高度增加的平方根成正比的速度 (参见方程 6)。系统的势能也随增加的高度。此外,请注意,增加质量 (表 1中的最后三行) 车具有更高的势能和动能时相比,较低质量车 (第三行),但此车的最终速度是低质量车相同。这是有道理,因为最终的速度只是函数的高度 (方程 6)。

表 1: 结果。

购物车质量 (公斤) 身高 (厘米) 体育(mJ) Vf (m/s) (mJ) %的差异
0.23 3.4 77 0.8 74 4
0.23 6.8 155 1.2 167 8
0.33 3.4 111 0.85 120 8
0.33 6.8 221 1.25 259 17

Applications and Summary

工作能量原理的应用是无处不在。过山车是这能量转移的一个好例子。他们把你拉到伟大的高度和你下拉一个陡峭的斜坡。你获得的斜面顶部的所有潜在能量然后都转换为动能为其他的骑。杯垫也是巨大的这增加了潜在的能量。跳伞者使用这一原则。他们坐在一架飞机,并把他们带到大约 13000 英尺高度的系统上工作。他们在垂直方向的初始速度是几乎为零的只是之前他们跳出来,和他们在跳转后迅速到达终端速度 (由于空气的阻力)。射击枪也将转换为动能势能。火药在弹药有大量储存的化学势能。当它被点燃时,它确实工作子弹,退出炮口巨大的动能。

在这个实验中,得到了工作能量原理。使用一架滑翔机斜的气垫导轨上,重力所做的工作已经得到实验验证平等系统动能的变化。

  1. 获得空气供应、 保险杠、 不同质量的两个滑翔机、 速度传感器、 气垫导轨、 铝块和规模 (见图 1)。
  2. 在规模上放置较低质量滑翔机和记录它的质量。
  3. 连接空气供应到滑翔机轨道并将其打开。
  4. 根据滑翔机站,附近的空气供应铝块的地方。这将是最低高度配置。
  5. 在轨道顶部放置滑翔机和测量的高度, h1。测量应尊重其近似的重心。
  6. 滑翔机置于收口的跟踪和测量的较低的高度, h0。不同h1 -h0应该是高度的铝块,但执行测量以验证。
  7. 放回在轨道上方的腿和铝块,滑翔机和释放它从休息。记录其速度v跟踪使用时机盖茨底部。确保速度测点测量h0了。做了五次,并采取的平均速度。在表 1中的相应框中记录这个速度。
  8. 放置在滑翔机立场之下的另一种铝块。这将添加势能计算 3.4 厘米。重复步骤 1.7。
  9. 填写表 1。每次运行计算PE ,并计算他们之间的分歧。
  10. 重复步骤 1.2-1.9 与重滑翔机。

Figure 1
图 1: 实验设置。组件包括: (1) 空气供应,(2) 保险杠、 滑翔机 (3)、 (4) 速度传感器、 (5) 气垫导轨和 (6) 铝块。

能源是物理学中最重要的和还很模糊的概念之一幸运的是,能量与工作之间的关系可以帮助在许多物理问题的理解。

能源-特别是机械能源-常定义为能力做的工作,那就是,使净力使它移动一定距离的对象上。机械能可以进来的位置依赖于能量,称为潜在的能量和依赖于运动的能量,称为动能的形式。而潜在和动能的对象可以转换为彼此能源保护规定的法律,一个孤立系统的总能量保持不变。

本视频将介绍工作能量原理,讨论的动能和势能能量概念和能量守恒定律用于关联这些能量在实验中涉及滑翔机滑下轨道。

虽然有许多类型的能量,机械能最清楚地说明了能量是做功的能力的想法。其中一个例子是当炮弹飞进一堵砖墙。

在这种情况下,一个身体,炮弹,正常工作的对象,在墙上,由净施力,造成对象移动一定距离。工作定义为点产品所施加的力和所移动的距离。这个作用力必须按顺序的工作要做位移方向,就是只的力与位移平行组件可以做的工作。

现在,我们可以将工作涉及机械能,是动能和势能。从一个位置到另一个,如炮弹,运动的物体有平动动能和做工作的能力。

假设我们从vvf-一个过程最终速度受初始速度加快炮弹由从运动学方程。此事件需要恒定的净力,由牛顿第二定律,在某一距离应用。通过结合两个方程,并注意到刚体的平动动能定义为½mv2,很明显,在炮弹上做的工作,这是则倍 D,等于最后和初始动能的差异。这是工作能量原理。

势能的时候,一块巨石在悬崖的边缘有大重力势能。在发布之前,它有可能在地面上做工作。这个潜在的工作取决于质量的巨石,重力,加速度和下降的高度。并且这项工作前下降或 Pi 等于势能。

按照谈话的法则,能量可以转换期间的事件,但该系统的总能量必须保持不变。因此,初始的潜力和动能的总和必须等于最后的能量的总和。博尔德的初始速度和动能为零,而其最终高度和潜在的能量也是零。因此,初始的重力势能等于最后刚体的平动动能。通过使用我们以前的方程,关系的数量可以绘制速度、 高度、 质量和能量之间。

既然你已经学会了工作能量守恒定律和能量守恒定律,让我们看看如何这些概念可以应用于实验涉及机械能。

本实验包括速度传感器,气垫导轨,几个相同的铝块,一架滑翔机,可以添加到滑翔机、 规模、 空气供应和一把尺子的少量砝码。

在规模上放置滑翔机和记录它的质量。气垫导轨连接空气供应和打开它措施之一的铝块高度并在实验室笔记本记录。地方在于接近空气供应气垫导轨脚下的铝块。这将是最低的高度配置。

在其初始位置放置滑翔机然后释放它从休息。使用速度传感器,记录滑翔机速度,因为它传递的最终位置在轨道上。此过程重复五次,计算平均速度。

地方下空气轨道提高高度配置额外的铝块。衡量h之间的差异,第一和hf 像以前一样和验证这是两次铝块的高度。为此高度配置重复组的速度测量。

放置在气垫导轨,假设高度差现在块高度的三倍下最后的铝块和重复测量速度。下一步,放置一些权重,以增加滑翔机的质量,然后重复实验,测量速度在三个不同的高度。

使用从工作能量原理的公式,每次运行的动能和潜力可以计算被认识到的每个变量的单位。在 PE 表中的列中列出了不同高度的潜在的能量差异。不出所料,潜在能量系统的增加,增加的高度与重质量,显示更大的潜力,要做的工作。

刚体的平动动能值也是柯列在表中找到的。类似于势能,动能是更大更重的滑翔机和重滑翔机的最终速度却更轻的滑翔机一样。这是高度的明确从有关能量方程在哪里速度只是高度的函数。此外,速度随高度的平方根成正比的速度预期。

根据能量守恒定律,柯和 PE 列在表中的,应该一律平等,他们几乎都是。两套不同的价值观差异来自采取的预计约 10%为这种类型的实验测量中误差。

涉及工作能量原理的应用无处不在涉及各种不同形式的能源。

过山车是机械能转换一个完美的例子。大规模的过山车最初被推向大高度在一个陡峭的斜坡。顶部的倾斜而获得的大量潜在能量然后转换为动能为其他的骑。在骑飞车经验经常交流潜力和动能。

化学反应也表现出能量转换与能量通常被化学势能和热能之间交换。如果反应为放热反应,势能是释放出作为热环境,而相反的是真正为吸热反应。一些放热的反应可以是爆炸从而产生动能所做的工作及其周围地区。

你刚看了朱庇特的能量和武力工作介绍。现在,您应该了解的概念和工作能量原理和能量守恒定律是动能和潜力如何与交流的重要性。谢谢观赏 !

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