Потенціальна енергія — урок. Фізика, 7 клас.

Енергія характеризує здатність тіла виконувати роботу. Натягнута тятива лука, стиснута пружина, піднятий із землі камінь, стиснений газ при певних умовах можуть здійснювати роботу.

Потенціальну енергію мають:

1. Тіла, підняті над поверхнею землі (наприклад, камінь при падінні з висоти утворює на землі воронку).

2. Пружно деформовані тіла (наприклад, натягнута тятива лука виштовхує стрілу);

3. Стиснуті гази (відстань між молекулами газу зменшується, і збільшується сила відштовхування між ними).

Слово потенціальний (potentia) грецькою мовою означає «можливість».

Велику потенціальну енергію має вода водоспаду. Потенціальна енергія води співпадає з роботою сили тяжіння Землі.

Потенціальна енергія накопичується у водах річок. Сила тяжіння Землі здійснює роботу, змушуючи річки текти до нижче розташованого місця — до моря. Людина навчилася корисно використовувати потенційну енергію річок. У стародавні часи будували водяні млини, а з \(20\)-го століття — гідроелектростанції (ГЕС).

Гідроелектростанція в Ітайпу, яка знаходиться на кордоні між Бразилією і Парагваєм на річці Парана, на сьогодні є найбільшою дійовою спорудою такого роду у світі. В її греблі (через яку протікає вода) є шлюзи, що складаються з \(14\) воріт, через які за секунду проходить \(62200\) кубометрів води.

Потенціальну енергію тіла, піднятого над опорою на висоту \(h\), обчислюють за формулою:

E_{p} = mgh

, де

m

— маса тіла, а

g

— прискорення вільного падіння біля поверхні Землі.

Потенціальну енергію тіла вимірюють від деякого умовного рівня відліку, найчастіше від поверхні Землі. В такому випадку приймають, що потенційна енергія тіла на поверхні Землі дорівнює нулю.

Пружно деформоване тіло теж має потенціальну енергію. У пружно деформованому тілі частинки тіла взаємодіють силами пружності, які у разі "звільнення", повернуть тіло у недеформований стан, виконавши механічну роботу.

Потенціальну енергію пружно деформованої (розтягнутої або стиснутої) пружини, визначають за формулою:

E_{p} = \frac{k x^{2}}{2}

, де \(k\ \)— жорсткість; \(x\) — видовження.

Зверни увагу!

Тіло одночасно може мати і потенційну, і кінетичну енергію, і вони можуть переходити одна в іншу.

Людина, що гойдається на гойдалках, має максимальну потенціальну енергію в найвищій точці підйому, в цій точці гойдалка на мить завмирає і, отже, в цей момент кінетична енергія людини дорівнює нулю.

Під час руху зі стану \(1\) у стан \(2\), потенційна енергія зменшується, а кінетична росте (тому що висота тіла над рівнем землі зменшується, а швидкість руху тіла зростає).

Коли людина знаходиться в найнижчій точці траєкторії руху \(2\), кінетична енергія є найбільшою, тому що в цей момент його швидкість найвища. Рухаючись із стану \(2\) у стан \(3\), збільшується потенційна енергія (тому що збільшується висота підйому тіла), а кінетична енергія зменшується (тому що швидкість руху тіла зменшується).

У замкнутій системі сума кінетичної і потенціальної енергії в будь-який момент часу залишається незмінною.

Сума потенціальної і кінетичної енергії тіла називається повною механічною енергією тіла.

Прив'язаний вантаж на висоті \(h\) має максимальну потенціальну енергію, а кінетична енергія (енергія руху) в цей час дорівнює \(0\).

Коли мотузку перерізають, вантаж починає вільно падати, висота зменшується, а швидкість збільшується (із прискоренням \(g\)), відповідно, потенціальна енергія зменшується, а кінетична енергія зростає.

У кожен момент часу, до моменту зіткнення, сума потенціальної і кінетичної енергії вантажа однакова.

У момент зіткнення енергія вантажа не зникає, вона передається іншому тілу — цвяху, який під впливом цієї енергії починає рух, йде глибше у брус. Деяка частина енергії перетворюється у внутрішню — теплову енергію (тому що вантаж при зіткненні нагрівається).

Будь-яке тіло має внутрішню енергію, яка не пов'язана з рухом тіла.

Внутрішню енергію утворює рух атомів і молекул тіла.

Наприклад, у результаті удару частинки починають рухатися інтенсивніше — це проявляється у вигляді нагрівання тіла. Під час стиску пружини змінюється потенціальна енергія частинок.