Запас энергии без движения
Выбери поднятый груз или упругую пружину. Сравни состояние при увеличении высоты или деформации.
Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.
Для груза запас пропорционален высоте; для идеальной линейной пружины — квадрату деформации. Шкала энергии относительная, это две разные системы.
Энергия взаимодействия
Потенциальная энергия связана с взаимным положением взаимодействующих тел или частей системы. Поднятый груз может совершить работу при падении, а деформированная пружина — при распрямлении.
Строго говоря, энергия притяжения относится к системе «Земля — тело». В школьной речи часто говорят «энергия поднятого тела», подразумевая его взаимодействие с Землёй.
Земля и поднятый груз
Энергия гравитационного взаимодействия
Деформированная пружина
Энергия взаимодействия её частей
Условия
Положение или деформация имеют значение
Потенциальная энергия связана с взаимодействием и конфигурацией системы.
Обязано ли тело двигаться, чтобы иметь потенциальную энергию?
Нет. Поднятый и удерживаемый груз может покоиться, сохраняя потенциальную энергию относительно выбранного уровня.
Высота имеет значение
Вблизи поверхности Земли при подъёме одного и того же тела потенциальная энергия возрастает. Чем больше масса и высота над выбранным уровнем, тем больше её значение в принятой модели.
Уровень нулевой энергии выбирают удобно: пол, стол или другое положение. Смена нулевого уровня меняет записанные значения, но не само движение и не доступную работу между двумя положениями.
Выше над выбранным нулём
Больше гравитационная потенциальная энергия
Другой нулевой уровень
Другие числа для тех же положений
Значение потенциальной энергии зависит от выбранного нулевого уровня.
Один и тот же груз может иметь разные записанные энергии у разных наблюдателей?
Да, если они выбрали разные нулевые уровни. Изменение энергии между двумя заданными высотами при этом совпадёт.
Пружина шариковой ручки
Деформированная пружина может хранить потенциальную энергию.
Santeri Viinamäki · CC BY-SA 4.0 · Источник. Без изменений.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Плотина Фостер и водохранилище
Вода выше нижнего уровня обладает гравитационной потенциальной энергией.
U.S. Army Corps of Engineers · Общественное достояние · Источник фотографии.
Изображение временно недоступно. Ссылка на источник находится выше.
Упругая деформация
Сжатая или растянутая упругая пружина может совершить работу, возвращаясь к исходной форме. При увеличении небольшой упругой деформации запасённая энергия растёт.
Количественная модель здесь нужна для сравнения: удвоение деформации идеальной линейной пружины увеличивает её энергию в четыре раза. Точную формулу и её вывод можно изучить позднее.
Внешнее действие
Деформирует пружину
Изменение состояния
Увеличивает её потенциальную энергию
Освобождение
Энергия может перейти в движение
Деформированная упругая пружина обладает потенциальной энергией.
Если сильно согнуть пластилин, он запасёт энергию как хорошая пружина?
Нет. При пластической деформации значительная часть работы переходит во внутреннюю энергию и не возвращается как упругое движение.
Различаем два вида энергии
Кинетическая энергия связана с движением, потенциальная — с взаимодействием и положением. Они могут существовать одновременно: летящий над землёй мяч имеет оба вида.
Поднятый неподвижный мяч имеет нулевую кинетическую энергию в земной системе, но ненулевую потенциальную относительно пола. При падении потенциальная может переходить в кинетическую.
| Состояние в системе Земли | Кинетическая | Потенциальная относительно пола |
|---|---|---|
| Мяч удерживают над полом | Нулевая | Положительная |
| Мяч падает над полом | Есть | Есть |
| Мяч лежит на полу | Нулевая | Принята за ноль |
Один объект может одновременно иметь кинетическую и потенциальную энергию.
При нулевой потенциальной энергии тело вообще не может совершать работу?
Может, например, за счёт кинетической или другой энергии. Ноль потенциальной энергии зависит от выбранного уровня.
Шесть выводов
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе
Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.
Учебный источник и иллюстрации
Основа: предоставленный учебник «Физика, 7 класс», § 40. Тема и содержание сверены с файлом «7 класс. Физика — § 40. Потенциальная энергия.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.
Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Число частиц, размеры и цвета учебных схем условны.