Darbas ir energija: uždaviniai su sprendimais žingsnis po žingsnio

Nemokami uždaviniai tema Darbas ir energija su brėžiniais, užuominomis ir išsamiais sprendimais. Kiekvieną kartą naujos reikšmės, trijų lygių: laisvasis kritimas, nuokalnė su trintimi, rampa, trintis ir spyruoklė.

Nemokamas pratybų uždavinysLengvas
m = 5 kggh = 38 m

5 kg kamuolys be pradinio greičio paleidžiamas iš 38 m aukščio. Oro pasipriešinimo nepaisykite. Raskite jo greitį v prieš pat atsitrenkiant į žemę.

m = 5 kgh = 38 mg = 9,81 m/s²
m/s
Kitas uždavinys →

Ką praktikuositės

  1. Lengvaslaisvasis kritimas
  2. Vidutinisnuokalnė su trintimi
  3. Sunkusrampa, trintis ir spyruoklė

Pagrindinės formulės

Kinetinė energija
Ek = ½mv²
Potencinė energija
Ep = mgh
Energijos balansas
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Trinties darbas
W = μ·N·d
Galia
P = W/t

Išmokite Darbas ir energija nuo nulio

Prieš tai: Niutono dėsniai

1Kas yra energija

Energija yra gebėjimas priversti kažką judėti ar keistis. Ji matuojama džauliais (J). Vienas džaulis yra energija, reikalinga stumti 1 N jėga per 1 m.

Energija niekada nesukuriama ir nesunaikinama. Ji tik keičia formą. Krintantis kamuolys aukštį paverčia greičiu. Stabdantis automobilis greitį paverčia šiluma stabdžiuose.

Tai duoda galingą trumpesnį kelią. Užuot sekę judėjimą sekundė po sekundės su jėgomis, palyginate energiją pradžioje su energija pabaigoje.

Šioje temoje sutiksite tris mechaninės energijos formas: judėjimo energiją, aukščio energiją ir spyruoklėje sukauptą energiją. Trintis paima energiją ir paverčia ją šiluma.

Savikontrolė Dėžė slysta šiurkščiomis grindimis ir sustoja. Kas nutiko jos kinetinei energijai?
  1. Ji buvo sunaikinta
  2. Ji tapo potencine energija
  3. Ji vis dar saugoma dėžėje kaip greitis
  4. Trintis paverčia ją šiluma

Atsakymas: Trintis paverčia ją šiluma. Energija negali išnykti. Lygiose grindyse aukštis nesikeičia, todėl visa kinetinė energija per trintį virto šiluma.

2Darbas ir kinetinė energija

Jėga atlieka darbą, kai ką nors perkelia. Darbas yra jėga, padauginta iš nueito kelio jėgos kryptimi:

W = F · d · cos α

Čia α yra kampas tarp jėgos ir judėjimo. Jėga išilgai judėjimo (α = 0) atlieka visą darbą. Statmena jėga (α = 90°) darbo neatlieka visai.

Judėjimo energija yra kinetinė energija. Ji auga greičio kvadratu, todėl padvigubinus greitį energija padidėja keturis kartus:

Ek = ½ · m · v²

Visų jėgų atliktas darbas lygus kinetinės energijos pokyčiui. Tai darbo ir energijos teorema.

Savikontrolė Virvė 50 N jėga tempia dėžę 4 m išilgai lygių grindų, 60° kampu virš horizonto. Kokį darbą atlieka virvė?
  1. 100 J
  2. 12,5 J
  3. 173 J
  4. 200 J

Atsakymas: 100 J. W = 50 · 4 · cos 60° = 100 J. Praleidus cos α gaunama 200 J, o su sin 60° – 173 J.

3Potencinė energija: aukštis ir spyruoklės

Aukščiau esantis kūnas gali kristi ir įgyti greitį. Energija, kurią jis turi dėl savo aukščio, yra gravitacinė potencinė energija:

Ep = m · g · h

Svarbus tik aukščio pokytis, todėl nulinį lygį pasirenkate patys. Paprasčiausia dažniausiai rinktis žemiausią judėjimo tašką.

Spyruoklė, suspausta ar ištempta atstumu x, kaupia tamprumo energiją. Čia k yra spyruoklės standumas N/m:

Es = ½ · k · x²

Viską sudėkite į vieną energijos balansą. Wf yra darbas prieš trintį, kuris išeina kaip šiluma:

Ek1 + Ep1 + Es1 = Ek2 + Ep2 + Es2 + Wf

Laisvam kritimui iš ramybės, be trinties, gaunama m·g·h = ½·m·v², todėl v = √(2gh). Masė suprastėja.

Savikontrolė Akmuo paleidžiamas iš ramybės iš 20 m aukščio. Neįskaitant oro pasipriešinimo, kokiu greičiu jis juda pasiekęs žemę? (g = 9,81 m/s²)
  1. 14,0 m/s
  2. 19,8 m/s
  3. 196 m/s
  4. 392 m/s

Atsakymas: 19,8 m/s. v = √(2 · 9,81 · 20) = √392,4 = 19,8 m/s. 392 m/s pamiršta kvadratinę šaknį, o 14,0 m/s pamiršta daugiklį 2 iš ½ reiškinyje ½·m·v².

4Metodas žingsnis po žingsnio

  1. Nubraižykite situaciją. Pažymėkite pradžios tašką 1 ir pabaigos tašką 2 ir pasirinkite aukščio nulinį lygį.
  2. Užrašykite energiją taške 1: Ek1 = ½·m·v1², Ep1 = m·g·h1, o jei spyruoklė suspausta – ½·k·x1².
  3. Taip pat užrašykite energiją taške 2. Nežinomąjį palikite simboliu.
  4. Raskite darbą prieš trintį. Pasvirusioje plokštumoje normalinė reakcija yra N = m·g·cos θ, todėl Wf = μ·m·g·cos θ·d, kur d yra nuslystas atstumas.
  5. Įrašykite į energijos balansą ir išspręskite nežinomajam.

Nubraižykite ir jėgas, net jei naudojate tik energiją. Brėžinys parodo, kurios jėgos atlieka darbą, o kurios – ne.

θmgNF = μNvm

Normalinė reakcija N statmena judėjimui, todėl darbo neatlieka. Ji svarbi tik todėl, kad nuo jos priklauso trintis.

5Išspręstas pavyzdys

Sekite kiekvieną žingsnį. Pabandykite nuspėti kitą, prieš jį atidarydami.

Išspręstas pavyzdys

2 kg blokas slysta iš ramybės žemyn pasvirusia plokštuma, 30° kampu į horizontą. Slydimo trinties koeficientas 0,2. Naudokite g = 9,81 m/s². Raskite jo greitį nuslydus 5 m išilgai plokštumos.

1

Nubraižykite situaciją

θmd = 5 mh = 2,5 mv = ?

Taškas 1 yra pradžia, taškas 2 yra 5 m toliau žemyn plokštuma. Aukščio nulinį lygį pasirinkite taške 2.

2

Prarastas aukštis

Blokas slysta 5 m išilgai plokštumos, bet nusileidžia tik vertikalia jos dalimi:

h = d · sin θ = 5 · sin 30° = 2,5 m
Ep1 = m · g · h = 2 · 9,81 · 2,5 = 49,05 J
3

Darbas prieš trintį

Pasvirusioje plokštumoje normalinė reakcija mažesnė už svorį:

N = m · g · cos θ = 2 · 9,81 · cos 30° = 16,99 N
Wf = μ · N · d = 0,2 · 16,99 · 5 = 16,99 J
4

Energijos balansas

Blokas pradeda iš ramybės, todėl Ek1 = 0. Taške 2 aukštis lygus nuliui:

Ep1 = Ek2 + Wf
Ek2 = 49,05 − 16,99 = 32,06 J
5

Raskite greitį

½ · 2 · v² = 32,06
v = √32,06 = 5,66 m/s
6

Patikrinkite atsakymą

Be trinties blokas pasiektų √(2 · 9,81 · 2,5) = 7,00 m/s. Trintis turi jį sulėtinti, o 5,66 m/s yra mažesnis. Atsakymas pagrįstas.

Masė galiausiai suprastėja: v² = 2·g·d·(sin θ − μ·cos θ) = 32,06, o tai duoda tuos pačius 5,66 m/s.

Atsakymas

Nuslydęs 5 m blokas pasiekia v ≈ 5,66 m/s.

6Dažnos klaidos

  • Svoris m·g naudojamas kaip normalinė reakcija pasvirusioje plokštumoje. Pasvirusioje plokštumoje N = m·g·cos θ.
  • Atstumas išilgai plokštumos naudojamas kaip aukštis. Aukščio sumažėjimas yra d·sin θ.
  • Pabaigoje pamirštama kvadratinė šaknis: ½·m·v² duoda v², o ne v.
  • Trinties darbas prie galutinės energijos pridedamas neteisingu ženklu. Trintis visada atima energiją iš judėjimo.
  • Spyruoklės energija užrašoma k·x vietoj ½·k·x² arba x paliekamas cm.
Savikontrolė 1 kg blokas nuslysta 2 m žemyn 30° plokštuma, kai μ = 0,5. Kiek darbo atliekama prieš trintį? (g = 9,81 m/s²)
  1. 19,6 J
  2. 4,91 J
  3. 8,50 J
  4. 9,81 J

Atsakymas: 8,50 J. Wf = μ · m · g · cos θ · d = 0,5 · 1 · 9,81 · cos 30° · 2 = 8,50 J. Naudojant m·g kaip normalinę reakciją gaunama 9,81 J, o naudojant sin θ vietoj cos θ – 4,91 J.

7Kaip atrodo egzamino uždaviniai

  • Lengvi: laisvas kritimas ir kiti paprasti virsmai. Numestas kamuolys (raskite v arba Ek), iš kampo paleista švytuoklė, blokas, atsitrenkiantis į spyruoklę, tempiančios virvės darbas arba keltuvo galia (P = m·g·h / t).
  • Vidutiniai: blokas pasvirusioje plokštumoje su trintimi: raskite greitį nuslydus tam tikrą atstumą arba darbą prieš trintį. Variantai: iki sustojimo slystantis automobilis, spyruoklinė paleidimo įranga ir galia, reikalinga važiuoti į kalną.
  • Sunkūs: keli etapai viename klausime. Pavyzdžiui, lygi nuokalnė, tada šiurkšti juosta, tada spyruoklė: raskite greitį prie spyruoklės arba didžiausią suspaudimą. Kiti derina tempiamą bloką, kilpą ar du sujungtus blokus.

Sunkiuose uždaviniuose užrašykite vieną energijos balansą nuo pat pradžios iki pat pabaigos. Pridėkite kiekvienos šiurkščios dalies trinties darbą.

Didžiausiam spyruoklės suspaudimui blokas akimirkai sustoja, todėl visa jo kinetinė energija yra spyruoklėje: ½·m·v² = ½·k·x².

Mokykitės žingsnis po žingsnio programėlėjeMokykitės žingsnis po žingsnio programėlėje

Išspręsti pavyzdžiai

Pavyzdys 1Lengvas
m = 0,5 kggh = 11 m

0,5 kg kamuolys be pradinio greičio paleidžiamas iš 11 m aukščio. Oro pasipriešinimo nepaisykite. Raskite jo greitį v prieš pat atsitrenkiant į žemę.

m = 0,5 kgh = 11 mg = 9,81 m/s²

Raskite v (m/s)

Rodyti užuominas
  1. Energija tvari: potencinė energija viršuje virsta kinetine energija apačioje.
  2. mgh = ½mv², todėl masė susiprastina: v = √(2gh).
  3. 2gh = 215,8 m²/s².
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).

Energijos balansas

Pradžia – rimtis aukštyje h; pabaiga – žemėje su greičiu v.

mgh = ½mv² → v = √(2gh)
v = √(2·9,81·11) = 14,69 m/s

Atsakymas

v = 14,69 m/s
Pavyzdys 2Vidutinis
45°d = 19 mμ = 0,35

Kūnas be pradinio greičio slysta nuokalne, pasvirusia 45° kampu į horizontą. Kinetinės trinties koeficientas yra 0,35. Raskite jo greitį v, nuslydus 19 m nuokalne.

θ = 45°μ = 0,35d = 19 mg = 9,81 m/s²

Raskite v (m/s)

Rodyti užuominas
  1. Normalinė jėga nuokalnėje N = mg·cos θ, todėl trintis yra μmg·cos θ.
  2. Energijos balansas atstumu d: mg·d·sin θ = ½mv² + μmg·cos θ·d. Masė susiprastina.
  3. sin θ = 0,7071, cos θ = 0,7071.
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).

Energijos balansas nuokalne

Kūnas nusileidžia d·sin θ aukščiu, o trintis atima μmg·cos θ·d. Masė susiprastina.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·19·(0,7071 − 0,35·0,7071)) = 13,09 m/s

Atsakymas

v = 13,09 m/s
Pavyzdys 3Sunkus
h = 4,5 mL = 4 mμ = 0,15k = 500 N/m

2,5 kg kūnas be pradinio greičio paleidžiamas 4,5 m aukštyje ant lygios rampos. Apačioje jis kerta šiurkščią horizontalią 4 m ilgio juostą (μ = 0,15) ir tada užvažiuoja ant spyruoklės (k = 500 N/m) lygiu paviršiumi. Raskite didžiausią spyruoklės suspaudimą x.

m = 2,5 kgh = 4,5 mL = 4 mμ = 0,15k = 500 N/mg = 9,81 m/s²

Raskite x (cm)

Rodyti užuominas
  1. Sekite energiją nuo paleidimo iki pabaigos: potencinė energija viršuje, atėmus trinties nuostolius šiurkščioje juostoje, virsta kinetine arba spyruoklės energija.
  2. Trintis plokščioje juostoje atima μ·mg·L. Didžiausio suspaudimo momentu kūnas akimirkai sustoja, todėl visa likusi energija yra ½kx².
  3. mg(h − μL) = 95,65 J.
Rodyti atsakymą ir sprendimą žingsnis po žingsnio

Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).

Energija po šiurkščios juostos

Rampa lygi, todėl energiją atima tik juosta.

mgh − μmgL = 24,53·(4,5 − 0,15·4) = 95,65 J

Didžiausias suspaudimas

½kx² = 95,65 → x = √(2·95,65/500) = 0,6185 m = 61,85 cm

Atsakymas

x = 61,85 cm

Klausimai ir atsakymai

Darbas ir energija: kas tai?

Energija niekada nesukuriama ir nesunaikinama. Ji tik keičia formą. Krintantis kamuolys aukštį paverčia greičiu. Stabdantis automobilis greitį paverčia šiluma stabdžiuose.

Tai duoda galingą trumpesnį kelią. Užuot sekę judėjimą sekundė po sekundės su jėgomis, palyginate energiją pradžioje su energija pabaigoje.

Darbas ir energija: kaip spręsti uždavinius žingsnis po žingsnio?

Darbo ir energijos principas: kinetinės energijos pokytis lygus visų jėgų darbui. Sunkį ir spyruokles užrašius kaip potencinę energiją (mgh ir ½kx²), gaunamas balansas: pradinė energija = galutinė energija + trinčiai prarasta energija (μN·d).

Darbas ir energija: ką lavinsite?
  • Lengvas: laisvasis kritimas
  • Vidutinis: nuokalnė su trintimi
  • Sunkus: rampa, trintis ir spyruoklė

Kiekviename uždavinyje naujos reikšmės, todėl išmokstate metodą, o ne atsakymą. Strigote? Pirmiausia atverkite nedidelę užuominą, o visą paaiškinimą – tik kai jo prireiks.

Kaip vyksta praktika

  • Kiekviename uždavinyje naujos reikšmės, todėl išmokstate metodą, o ne atsakymą.
  • Strigote? Pirmiausia atverkite nedidelę užuominą, o visą paaiškinimą – tik kai jo prireiks.
  • Jūsų pažanga, klaidos ir išsaugoti uždaviniai išlieka, todėl prieš egzaminą galite viską pakartoti.

Temos prieš šią ir po jos

Pirmiausia išmokite

Toliau

Skaičiuoklės

Kursai su šia tema

Daugiau temų: Mechanikos inžinerija

Spausdinamas užduočių lapas