Кінетична і потенційна енергія

Важко переоцінити роль фундаментальних фізичних досліджень в розвитку техніки. Так, дослідження теплових явищ у XIX ст. сприяли швидкому вдосконалення теплових двигунів. Фундаментальні дослідження в області електромагнетизму призвели до виникнення і швидкого розвитку електротехніки. У першій половині XIX ст. був створений телеграф, в середині століття з'явилися електричні освітлювачі, а потім електродвигуни. У другій половині XIX ст. хімічні джерела електричного струму стали витіснятися електрогенераторами. Дев'ятнадцяте століття завершився тріумфально: з'явився телефон, народилося радіо, був створений автомобіль з бензиновим двигуном, у ряді столиць відкрилися лінії метрополітену, зародилася авіація. У 1912 р.В.Я. Брюсов написав рядки, в яких добре відбилося переможний настрій тих років:

Здійснилися всі мрії, що були такі далекі. Переможний розум пройшов за роки сотні миль. При електриці пишу я ці рядки, І біля воріт, гудучи, стоїть автомобіль.

А між тим науково-технічний прогрес тільки ще набирав темп; науково-технічна революція XX ст. ще тільки назрівала. Відкриття електрона, створення і становлення квантової теорії, виникнення атомної фізики, а потім фізики твердого тіла - все це зумовило народження і швидкий розвиток електроніки. Спочатку виникла вакуумна електроніка (електронні лампи, електронно-променеві трубки); в 50-х роках стала розвиватися напівпровідникова електроніка (у 1948 р. було винайдено транзистор); в 60-х роках народилася мікроелектроніка. Прогрес в області елект ¬ Ронік привів до створення досконалих систем радіозв'язку, радіоуправління, радіолокації. Розвивається телебачення, змінюються один за одним покоління ЕОМ (зростає їх швидкодію, удосконалюється пам'ять, розширюються функціональні можливості), з'являються промислові роботи. У 1957 р. відбувся виведення на навколоземну орбіту першого штучного супутника Землі; 1961 р. - політ Ю.А. Гагаріна - першого космонавта планети; 1969 р. - перші люди на Місяці. Нас майже вже не дивують вражаючі успіхи космічної техніки. Ми звикли до запусків штучних супутників Землі (їх число давно перевалило за тисячу); стають все більш звичними польоти космонавтів на пілотованих космічних кораблях, їх багатоденні вахти на орбітальних станціях. Ми познайомилися з зворотною стороною Місяця, отримали фотознімки поверхні Венери, Марса, Юпітера, комети Галлея.

Фундаментальні дослідження в області ядерної фізики дозволили впритул приступити до вирішення однієї з найбільш гострих проблем - енергетичну проблеми. Перші ядерні реактори з'явилися в 40-х роках, а в 1954 р. в СРСР початку діяла перша в світі атомна електростанція - народилася ядерна енергетика. В даний час на Землі працює понад триста АЕС; вони дають близько 20% всієї виробленої у світі електричної енергії. Розгорнуто інтенсивні дослідження з термоядерного синтезу; прокладаються шляху до термоядерної енергетиці.

Успіхи в дослідженні фізики газового розряду і фізики твердого тіла, більш глибоке розуміння фізики взаємодії оптичного випромінювання з речовиною, використання принципів і методів радіофізики - все це обумовило розвиток ще одного важливого науково-технічного спрямування - лазерної техніки. Цей напрямок виникло всього тридцять років тому (перший лазер створено у 1960 р), але вже сьогодні лазери знаходять широке застосування в багатьох областях практичної діяльності людини. Лазерний промінь виконує різноманітні технологічні операції (зварює, ріже, пробиває отвори, гартує, маркує і т.д.), використовується в якості хірургічного скальпеля, виконує найточніші вимірювання, трудиться на будівельних майданчиках і злітно-посадочних смугах аеродромів, контролює ступінь забруднення атмосфери і океану. У найближчій перспективі ла ¬ зерна техніка дозволить реалізувати в широких масштабах оптичну зв'язок і оптичну обробку інформації, провести своєрідну революцію в хімії (управління хімічними процесами, отримання нових речовин і, зокрема, особливо чистих речовин) та здійснити керований термоядерний синтез.

Говорячи про зв'язок між розвитком фізики та науково-технічним прогресом, слід зазначити, що цей зв'язок двостороння. З одного боку, досягнення фізики лежать в основі розвитку техніки. З іншого - підвищення рівня техніки створює умови для інтенсіфікаціі фізичних досліджень, робить можливим постановку принципово нових досліджень. В якості прикладу можна вказати на найважливіші дослідження, що виконуються на ядерних реакторах або на прискорювачах заряджених частинок.

Впливаючи вирішальним чином на науково-технічний прогрес, фізика тим самим робить істотний вплив і на всі сторони життя суспільства, зокрема на людську культуру. Проте в даному випадку ми маємо на увазі не це опосередкований вплив фізики на культуру, а вплив безпосереднє, що дозволяє говорити про саму фізики як про компонент культури. Іншими словами, мова йде про гуманітарне змісті самого предмета фізики, яка пов'язана з розвитком мислення, формуванням світогляду, вихованням почуттів. Ми маємо на увазі органічний зв'язок фізики з розвитком суспільної свідомості, вихованню певного ставлення до навколишнього світу.

Стверджуючи матеріалістичну діалектику, фізика XX ст. відкрила низку винятково важливих істин, значимість яких виходить за рамки самої фізики, істин, які стали загальнолюдським надбанням. По-перше, була доведена фундаментальність дивастических закономірностей як відповідних більш глибокому етапу (у порівнянні з закономірностями динамічними) в процесі пізнання світу. Було показано, що ймовірна форма причинності є основною, а жорстка, однозначна причинність є не більше ніж приватний випадок. Фізика надала нам унікальну можливість: на основі статистичних теорій розглянути кількісно діалектику необхідного і випадкового. Виходячи за рамки власних завдань, сучасна фізика показала, що випадковість не тільки плутає і порушує наші плани, але і може нас збагачувати, створюючи нові можливості.

По-друге, фізика XX ст. продемонструвала загальність принципу симетрії, змусила значно глибше поглянути на симетрію, розширивши це поняття за рамки геометричних уявлень, а головне, розглянула діалектику симетрії і асимметрії, пов'язавши її з діалектикою загального і різного, збереження і зміни. Було поставлено питання про симетрії-асиметрії фізичних законів, у зв'язку з чим була виявлена особлива роль законів збереження. Виходячи за рамки власних завдань, фізика наочно показала, що симетрія обмежує число можливих варіантів структур або варіантів поведінки систем. Ця обставина дуже важливо, тому що дає можливість в багатьох випадках знаходити рішення як результат виявлення єдино можливого варіанту, без з'ясування подробиць (рішення з міркувань симетрії).

По-третє, фізика XX ст. показала, що в міру поглиблення наших знань відбувається поступове стирання кордонів, руйнування перегородок. Так, стирається грань між корпускулярним і хвильовим рухами, між речовиною і полем. Виявилося, що як речовина, так і поле складаються з елементарних часток і, більше того, порожнеча - це зовсім не порожнеча в звичайному розумінні, а фізичний вакуум, "наповнений" віртуальними частинками. Нормою поведінки для частинок, що розглядаються в сучасній фізиці, є взаємоперетворення, тому світ постає перед нами як єдине ціле. У цьому світі поняття повністю ізольованого об'єкта по суті справи відсутній. Тут доречно нагадати відомий ленінське зауваження, що в природі немає абсолютних граней - , що "всі грані в природі умовні, відносні, рухливі, висловлюють наближення нашого розуму до пізнання матерії"

По-четверте, сучасна фізика подарувала нам принцип відповідно. Він виник у квантовій механіці на етапі її початкового розвитку, але потім перетворився на загальний методологічний принцип, що відображає діалектику процесу пізнання світу. Він демонструє важливе положення діалектики: процес пізнання - це процес постатечного і нескінченного наближення до абсолютної істини через послідовність відносних істин. Принцип відповідності показує, як саме у фізиці реалізується зазначений процес наближення до істини. Це не механічне додавання нових фактів до вже відомих, а процес послідовного узагальнення, коли нове заперечує старе, але заперечує не просто, а з утриманням всього того позитивного, що було накопичено в старому. "Вивчення фізики дає можливість показати, що всі фізичні уявлення та теорії відображають об'єктивну реальність лише наближення женно, що наші уявлення про світ безперервно поглиблюються і розширюються, що процес пізнання матеріального світу безкінечний"

Наші уявлення про світ... Немає необхідності доводити, що сучасне світорозуміння - важливий компонент людської культури. Кожна культурна людина повинна хоча б у загальних чертax представляти, як влаштований світ, в якому він живе. Це необхідно не тільки для загального розвитку. Любов до природи передбачає повагу до в ній процесів, а для цього треба розуміти, за якими законами вони відбуваються. Ми маємо багато повчальних прикладів, коли природа карала нас за наше невігластво; пора навчитися отримувати з цього уроки. Не можна також збувати, що саме знання законів природи є ефективна зброя боротьби з містичними уявленнями, є фундамент атеїстичного виховання.

Сучасна фізика вносить істотний внесок у вироблення нового стилю мислення, який можна назвати планетарним мисленням. Вона звертається до проблем, що мають велике значення для всіх країн і народів. Сюди відносяться, наприклад, проблеми сонячно-земних зв'язків, що стосуються впливу сонячних випроміню чений на магнітосферу, атмосферу та біосферу Землі; прогнози фізичної картини світу після ядерної катастрофи, якщо така вибухне; глобальні екологічні проблеми, пов'язані із забрудненням Світового океану і земної атмосфери.

На закінчення відзначимо, що, впливаючи на самий характер мислення, допомагаючи орієнтуватися у шкалі життєвих цінностей, фізика сприяє, в кінцевому рахунку, виробленню адекватного ставлення до навколишнього світу і, зокрема, активної жизнен ної позиції. Будь-якій людині важливо знати, що світ в принципі можна пізнати, що випадковість не завжди шкідлива, що потрібно і можна орієнтуватися і працювати у світі, насиченому випадковостями, що в цьому світі, що змінюється є тим не менш "опорні точки", інваріанти (що б не змінювалося, а енергія зберігається), що в міру поглиблення знань картина неминуче ускладнюється, стає діалектично, так що вчорашні "перегородки" більше не годяться.

Ми переконуємося, таким чином, що сучасна фізика дійсно містить в собі потужний гуманітарний потенціал. Можна не вважати занадто великим перебільшенням слова американського фізика І. Рабі: "Фізика складає серцевину гуманітарної освіти нашого часу".

II. Історія виникнення термінів "енергія", "кінетична енергія", "потенційна енергія"

Кінетична енергія залежить від того, з яких позицій розглядається система. Якщо розглядати макроскопічний об'єкт (наприклад, тверде тіло видимих розмірів), то тіло нерухомо як єдине ціле, і такі форми енергії, як тепло, розглядаються як внутрішня енергія. Кінетична енергія в цьому випадку з'являється лише тоді, коли тіло рухається як ціле. Те ж тіло, що розглядається з мікроскопічної точки зору, складається з атомів, молекул, і внутрішня теплова енергія обумовлена рухом атомів і молекул і розглядається як наслідок броунівського руху, а температура тіла відрізняється від кінетичної енергії такого руху лише на постійний коефіцієнт - постійну Больцмана характерістікой руху та взаємодії тіл. Вона залежить від швидкостей і взаємного розташування тіл.

2. "Постійна" Людвіга Больцмана.

Людвіг Больцман - один з творців молекулярно-кінетичної теорії газів, на якій грунтується сучасна картина взаємозв'язку між рухом атомів і молекул з одного боку і макроскопічними властивостями матерії, такими як температура і тиск, з іншого. У рамках такої картини тиск газу обумовлене пружними ударами молекул газу об стінки судини, а температура - швидкістю руху молекул (а точніше, їх кінетичної енергією). Чим швидше рухаються молекули, тим вища температура.

Постійна Больцмана дає можливість прямо зв'язати характеристики мікросвіту з характеристиками макросвіту - зокрема, з показаннями термометра. Ось ключова формула, що встановлює це співвідношення:

1/2 mv2 = kT

де m і v - відповідно маса і середня швидкість руху молекул газу, Т - температура газу (за абсолютною шкалою Кельвіна), а k - постійна Больцмана. Це рівняння прокладає місток між двома світами, пов'язуючи характеристики атомного рівня (у лівій частині) з об'ємними властивостями (у правій частині), які можна виміряти за допомогою людських приладів, в даному випадку термометрів. Цю зв'язок забезпечує постійна Больцмана k, рівна 1,38 x 10-23 Дж / К.

Розділ фізики, що вивчає зв'язки між явищами мікросвіту і макросвіту, називається статистична механіка. У цьому розділі навряд чи знайдеться рівняння або формула, в яких не фігурувала б постійна Больцмана. Одне з таких співвідношень було виведено самим австрійцем, і називається воно просто рівняння Больцмана:

S = k log p b

де S - ентропія системи (див. Другий закон термодинаміки), p - так званий статистичний вага (дуже важливий елемент статистичного підходу), а b - ще одна константа.

Все життя Людвіг Больцман в буквальному сенсі випереджав свій час, розробляючи основи сучасної атомної теорії будови матерії, вступаючи в запеклі суперечки з переважною більшістю консервативним сучасного йому наукового співтовариства, який вважав атоми лише умовністю, зручною для розрахунків, але не об'єктами реального світу. Коли його статистичний підхід не зустрів ні найменшого розуміння навіть після появи спеціальної теорії відносності, Больцман в хвилину глибокої депресії покінчив з собою. Рівняння Больцмана висічене на його надгробному пам'ятнику.

3. Зв'язок між внутрішньою енергією тіла, кінетичної і потенційної енергіями.

Внутрішня енергія тіла (позначається як E або U) - повна енергія цього тіла за вирахуванням кінетичної енергії тіла як цілого і потенціальної енергії тіла в зовнішньому полі сил. Отже, внутрішня енергія складається з кінетичної енергії хаотичного руху молекул, потенційної енергії взаємодії між ними і внутрішньомолекулярної енергії.

Внутрішня енергія є однозначною функцією стану системи. Це означає, що кожного разу, коли система опиняється в даному стані, її внутрішня енергія приймає властиве цьому стану значення, незалежно від передісторії системи. Отже, зміна внутрішньої енергії при переході з одного стану в інший буде завжди дорівнює різниці між її значеннями в кінцевому і початковому станах, незалежно від шляху, по якому здійснювався перехід.

IV. Потенційна енергія

Ep = mgh,

де Ep - потенційна енергія тіла, m - маса тіла, g - прискорення вільного падіння, h - висота положення центру мас тіла над довільно обраним нульовим рівнем.

1. Про фізичний сенс поняття потенційна енергія.

Якщо кінетична енергія може бути визначена для одного окремого тіла, то потенційна енергія завжди характеризує як мінімум два тіла або положення тіла у зовнішньому полі.

Кінетична енергія характеризується швидкістю; потенційна - взаєморозташуванням тел.

Основний фізичний сенс має не саме значення потенційної енергії, а її зміна.

2. Робота і потенційна енергія.

1) З поняттям енергії ви познайомилися в курсі фізики 7 класу. Згадаймо його. Припустимо, що деяке тіло, наприклад візок, з'їжджає з похилій площині і пересуває лежить біля її основи брусок. Кажуть, що візок здійснює роботу. Дійсно, вона діє на брусок з деякою силою пружності і брусок при цьому переміщається.

Інший приклад. Водій автомобіля, що рухається з деякою швидкістю, натискає на гальмо, і автомобіль через якийсь час зупиняється. У цьому випадку також автомобіль здійснює роботу проти сили тертя.

Кажуть, що якщо тіло може зробити роботу, то воно має енергію.

Енергію позначають буквою E. Одиниця енергії в СІ - джоуль (1 Дж).

2) Розрізняють два види механічної енергії - потенційна та кінетична.

Потенційною енергією називають енергію взаємодії тіл або частин тіла, що залежить від їх взаємного положення.

Потенційною енергією володіють всі взаємодіючі тіла. Так, будь-яке тіло взаємодіє із Землею, отже, тіло і Земля володіють потенційною енергією. Частинки, з яких складаються тіла, теж взаємодіють між собою, і вони також мають потенційну енергією.

Оскільки потенційна енергія - це енергія взаємодії, то вона відноситься не до одного тіла, а до системи взаємодіючих тіл. У тому випадку, коли ми говоримо про потенційної енергії тіла, піднятого над Землею, систему складають Земля і підняте над нею тіло.

3) З'ясуємо, чому дорівнює потенційна енергія тіла, піднятого над Землею. Для цього знайдемо зв'язок між роботою сили тяжіння і зміною потенційної енергії тіла.

Нехай тіло масою m падає з висоти h1 до висоти h2. При цьому переміщення тіла одно h = h1 - h2. Робота сили тяжіння на цій ділянці буде дорівнює:

A = Fтяжh = mgh = mg (h1 - h2),

або

A = mgh1 - mgh2.

Величина mgh1 = Eп1 характеризує початкове положення тіла і представляє собою його потенційну енергію в початковому положенні, mgh2 = Eп2 - потенційна енергія тіла в кінцевому положенні. Формулу можна переписати таким чином:

A = Eп1 - Eп2 = - (Eп2 - Eп1).

При зміні положення тіла змінюється його потенційна енергія. Таким чином, робота сили тяжіння дорівнює зміні потенціальної енергії тіла, взятому з протилежним знаком.

Знак "мінус" означає, що при падінні тіла сила тяжіння робить позитивну роботу, а потенційна енергія тіла зменшується. Якщо тіло рухається вгору, то сила тяжіння робить негативну роботу, а потенційна енергія тіла при цьому збільшується.

4) При визначенні потенційної енергії тіла необхідно вказувати рівень, щодо якого вона відраховується, званий нульовим рівнем.

Так, потенційна енергія м'яча, що пролітає над волейбольною сіткою, щодо сітки має одне значення, а щодо статі спортзалу - інше. При цьому важливо, що різниця потенціальних енергій тіла в двох точках не залежить від обраного нульового рівня. Це означає, що робота, яка виконується за рахунок потенційної енергії тіла, не залежить від вибору нульового рівня.

Часто за нульовий рівень при визначенні потенційної енергії беруть поверхню Землі. Якщо тіло падає з деякої висоти на поверхню Землі, то робота сили тяжіння дорівнює потенційної енергії:

A = mgh

Отже, потенційна енергія тіла, піднятого на деяку висоту над нульовим рівнем, дорівнює роботі сили тяжіння при падінні тіла з цієї висоти до нульового рівня.

5) Потенційною енергією володіє будь-деформований тіло. При стиску або розтяганні тіла воно деформується, змінюються сили взаємодії між його частинками і виникає сила пружності.

Список використаної літератури