Урок № 57 Закон збереження й перетворення енергії в механічних процесах

Тема уроку: Закон збереження й перетворення енергії в механічних процесах та його практичне застосування

Мета уроку: з‘ясувати взаємний зв‘язок потенціальної та кінетичної енергії, встановити закономірності цього зв‘язку; розкрити сутність закону збереження енергії в механічних процесах; показати учням універсальність закону збереження і перетворення механічної енергії; сформувати вміння розв‘язувати задачі, використовуючи закон збереження і перетворення механічної енергії; розвивати пізнавальний інтерес учнів до теми та предмету фізики взагалі, розширювати світогляд; виховувати вміння бачити фізику навколо себе; формувати усвідомлення універсальності фізичних законів; розвивати логічне мислення, вміння встановлювати причинно-наслідкові зв‘язки, використовувати одержані знання під розв‘язування задач.

Базові фізичні поняття:  енергія, кінетична енергія, потенціальна енергія, збереження енергії, повна механічна енергія.

Демонстрації: Перетворення енергії при коливаннях вантажу на нитці. Перетворення енергії при коливаннях вантажу на пружині

Обладнання: маятник Максвелла (підв'язане до перекладини дерев'яне коліщатко, в центрі якого прикріплені виступи на міцних нитках), кулька на нитці, штатив, важок, пружина.

Тип уроку: вивчення нового матеріалу.

Хід уроку :

                                     I.    Організаційний момент

Привітання, перевірка присутніх.

                                  II.    Актуалізація опорних знань

Задача 1. Брати-близнюки Петро та Павло, які мають однакову масу, забігли до школи і збили з ніг різну кількість своїх однокласників. Відомо, що швидкість Петра була значно більшою за швид­кість Павла. Хто з двох братів-бешкетників, які вбігли до школи, мав більшу кінетичну енергію?

Відповідь: якщо маси двох братів однакові, то більшу кінетичну енергію мав той брат, чия швид­кість була більшою.

Задача 2. Яка енергія краща: потенціальна чи кінетична?

Відповідь: це кожен вирішує для себе сам. Наприклад, комусь більше подобається ще висіти, а комусь – уже падати.

1. Чому спортсмен перед стрибком робить розбіг?

2. Два електропоїзди рухаються з однаковою відносно землі швидкістю, але перший має шість, а другий — дев’ять вагонів. Який з них має більшу кінетичну енергію?

3. Яким молотком — легким або важким — можна забити цвях за меншу кількість ударів? Чому?

Гра «Вгадай мене»

  На столі вчителя лежить купка карток, на яких написано:

·                       Зумовлена взаємодією тіл або частин одного тіла;

·                       Її має шайба, що рухається по поверхні льоду;

·                       Назва походить від латин. «сила, можливість»;

·                       Залежить від маси тіла та його швидкості;

·                       Позначається символом W_п;

·                       Обчислюється за формулою mv²/2;

·                       Обчислюється за формулою mgh;

·                       В сумі з потенціальною енергією дає повну механічну енергію тіла;

·                       Залежить від висоти над поверхнею Землі і маси тіла;

·                       Позначається символом W_к;

·                       Її мають пружно деформовані тіла;

·                       Назва походить від грец. «рух»;

·                       Робота з піднімання тіла дорівнює її зміні;

·                       Зумовлена рухом тіла.

На дошці записані терміни: потенціальна енергія, кінетична енергія. Два учні виходять до вчительського столу і вибирають ті картки, які, на їх думку підходять до запропонованих їм понять. Зачитують вголос усе, що вони обрали, а учні класу рецензують їх відповіді.

                              III.    Мотивація навчальної діяльності

Демонструємо дослід: візьмемо маятник Максвелла (підв'язане до перекладини дерев'яне коліщатко, в центрі якого прикріплені виступи на міцних нитках), накрутимо нитки на виступи, а по­тім відпустимо коліщатко. Воно опускається вниз, а потім піднімається вгору і так кілька разів.

Запитання до учнів

— Коли ми підняли коліщатко на деяку висоту, якої енергії воно набуло?

— Коли опустилося в нижню точку, що сталося з потенціальною енергією?

— Куди поділася потенціальна енергія?

— Яку енергію має коліщатко, коли піднімаєть­ся вгору?

— Яку енергію має коліщатко, коли піднімаєть­ся в найвищу точку своєї траєкторії?

— Чи можна сказати, що потенціальна енергія перетворюється на кінетичну і навпаки?

— Чому тіло через деякий час зупиняється? Демонструємо дослід коливання кульки на нит­ці і ставимо аналогічні запитання. Демонструємо дослід коливання важка на пружині і ставимо ана­логічні запитання.

Отже, за умови відсутності сили тертя потенці­альна енергія тіла зменшується настільки, наскіль­ки збільшується її кінетична енергія і навпаки, тобто повна механічна енергія тіла не змінюється.

Теоретичні та експериментальні дослідження дозволили сформулювати закон збереження меха­нічної енергії:

У системі тіл, які взаємодіють тільки силами пружності й силами тяжіння, повна механічна енергія не змінюється.

Цей закон можна записати за допомогою фор­мули:

                                       W_п1 + W_к1 = W_п2 +W_к2

Якщо на тіла діють сили тертя, то повна меха­нічна енергія зменшується, деяка її частина пере­ходить в інший вид, наприклад, у теплову.

Доведемо, що якщо опором повітря можна знехтувати, сума кінетичної й потенціальної енергій падаючого тіла залишається незмінною, тобто механічна енергія тіла зберігається.

Нехай вантаж масою m падає без початкової швидкості з висоти H.

У початковому стані потенціальна енергія вантажу E=mgh, а його кінетична енергія E=0 . Таким чином, початкова механічна енергія вантажу Eп+Eк=mgh.

На деякій висоті h<H потенціальна енергія вантажу E=mgh .

Щоб знайти кінетичну енергію вантажу

 на висоті h, тобто коли він зробив переміщення S=H-h , скористаємося тим, що при вільному падінні без початкової швидкості формула має вигляд

Отже, 

Отже, повна механічна енергія вантажу на будь-якій висоті

h<H дорівнює

, тобто дорівнює його початковій енергії. А це й означає, що механічна енергія при падінні вантажу зберігається.

Це твердження називають законом збереження механічної енергії.

Помітимо, що збереження механічної енергії не означає збереження кінетичної й потенціальної енергій окремо: так, при падінні тіла його потенціальна енергія перетворюється в кінетичну, а при коливаннях маятників потенціальна й кінетична енергії неодноразово перетворюються одна в одну.

                              IV.    Вивчення нового матеріалу

                                  V.    Узагальнення знань

1.                    Тіло кинуто з поверхні Землі вертикально вгору з початковою швидкістю 30 м/с. На яку висоту воно підніметься.

2.                    Тіло падає з висоти 20 м. На якій висоті від поверхні Землі кінетична і потенціальна енергії тіла будуть однаковими. Опором повітря знехтувати.

3.                    Тіло кинуто вертикально вгору зі швидкістю 20 м/с. На якій висоті від поверхні Землі швидкість тіла зменшиться удвічі?

4.                    Задача від Григорія Остера

Джон Леннон впустив окуляри на барабан. Окуляри підстрибнули 7 разів і залишилися лежа­ти нерухомо. Скільки разів кінетична енергія оку­лярів, які зіскочили з носа славетного музиканта, перетворювалася на потенціальну?

5.                    Відповідь: 7 разів. Але про всяк випадок полі­чіть самі.

6.                    З льодяної гірки на санчатах з'їжджає хлопчик. Санчата виїжджають на троту­ар, який посипано піском, і зупиняються. Які пере­творення енергії при цьому відбуваються?

7.                    Під час скочування санок з гори їхня швидкість безперервно збільшується. Чому?

                              VI.    Підсумки уроку

Вправа «Незакінчене речення»

Учні продовжують речення:

На уроці я:

— Дізнався...

— Зрозумів...

— Навчився...

— На наступному уроці я хочу...

                           VII.    Домашнє завдання

Розв'язати задачу: Тіло вільно падає з висоти 40 м. На якій висоті потенціальна і кінетична енергія тіла зрівняються? Опором повітря знехтувати

  Завантажити конспект Урок № 57 Закон збереження й перетворення енергії в механічних процесах