Доклад на тему «Энергия в физике»

Введение

Чтобы поднять обычный школьный рюкзак массой пять килограммов с пола на парту высотой около 75 сантиметров, нужно совершить работу примерно в 37 джоулей, а одна шоколадная конфета массой двадцать граммов, по данным на её обёртке, содержит около 100 килокалорий, то есть более четырёхсот тысяч джоулей. Сравнение этих двух чисел сразу показывает, насколько велики запасы энергии, скрытые в веществе, и почему человечество так долго училось извлекать её из угля, нефти, падающей воды, ветра и атомного ядра, ведь от того, сколько энергии способна получить страна, зависят её промышленность, транспорт и уровень жизни людей.

Слово «энергия» происходит от греческого ἐνέργεια, что означает «действие, деятельность», и в обычной речи мы употребляем его очень свободно, говоря об энергичном человеке или о том, что после бессонной ночи «нет энергии». В физике у этого понятия строгий смысл: энергия показывает, какую работу может совершить тело или система тел, и измеряется в тех же единицах, что и работа, в джоулях, названных в честь английского физика Джеймса Прескотта Джоуля, который в 1840-е годы опытами доказал, что механическая работа и теплота взаимно превращаются в строго определённом соотношении.

Цель доклада состоит в том, чтобы рассказать об основных видах энергии и о том, как они проявляются в природе и технике. Для этого решаются следующие задачи:

• дать определение энергии и единицы её измерения;
• рассмотреть кинетическую и потенциальную энергию;
• познакомиться с внутренней энергией и энергией топлива;
• описать электрическую, магнитную и химическую энергию и привести примеры.

Видов энергии физики выделяют довольно много, и некоторые из них в 7 классе только называются, а подробно изучаются позже, поэтому удобно сначала собрать их вместе с примерами и формулами, известными из курса физики, в таблице 1.

Таблица 1 — Основные виды энергии

Объектом доклада служат физические явления, связанные с совершением работы, предметом выступают виды энергии и их превращения. При подготовке доклада использовались учебники физики для 7 и 8 классов, справочные таблицы и решение простых расчётных примеров. Особенно наглядно запасы энергии в веществе видны на примере топлива, ведь при сгорании разных видов топлива одной и той же массы выделяется очень разное количество теплоты; значения удельной теплоты сгорания из таблиц школьного учебника приведены на рисунке 1.

Килограмм сухих дров при сгорании даёт около 10 мегаджоулей теплоты, килограмм бензина в четыре с половиной раза больше, а водород выделяет целых 120 мегаджоулей, и именно поэтому его рассматривают как перспективное топливо для транспорта, тем более что при сгорании водорода образуется только вода. Трудность в том, что водород в природе почти не встречается в чистом виде, а на его получение саму энергию нужно сначала затратить, так что выгода зависит от того, откуда эта энергия берётся.

Глава 1. Основные виды энергии

1.1 Механическая и кинетическая энергия

Механической энергией называют энергию, связанную с движением тел и их взаимным расположением, и она складывается из двух частей, кинетической и потенциальной. Кинетическая энергия, название которой происходит от греческого слова «движение», есть у любого движущегося тела и вычисляется по формуле E_к = mv²/2, где m обозначает массу тела, а v его скорость, то есть зависит от скорости гораздо сильнее, чем от массы: если скорость увеличить вдвое, энергия вырастет вчетверо.

Эту особенность хорошо знают инженеры, занимающиеся безопасностью дорожного движения. Автомобиль массой 1 500 килограммов, едущий со скоростью 60 километров в час, то есть около 16,7 метра в секунду, обладает кинетической энергией примерно 209 тысяч джоулей, а при скорости 90 километров в час, всего в полтора раза больше, энергия возрастает уже до 469 тысяч джоулей, и тормозной путь, на котором эта энергия должна превратиться в тепло тормозных колодок, тоже увеличивается примерно в 2,25 раза.

Кинетическая энергия движущейся воды и воздуха с давних времён используется человеком: водяные мельницы работали ещё в античности, ветряные появились в Европе в XII веке, а сегодня ветроэлектростанции с лопастями длиной более пятидесяти метров превращают энергию ветра в электрическую, причём мощность ветрового потока растёт пропорционально кубу скорости ветра, поэтому станции ставят там, где ветер дует сильно и постоянно, на морских побережьях и в степях.

1.2 Потенциальная и внутренняя энергия

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел или частей одного тела, и самый простой её пример даёт тело, поднятое над землёй, энергия которого вычисляется по формуле E_п = mgh, где g примерно равно 9,8 Н/кг, а h означает высоту. Вода, поднятая плотиной, обладает огромной потенциальной энергией: на Саяно-Шушенской ГЭС, крупнейшей электростанции России, напор воды составляет около двухсот метров, и, падая через турбины, вода превращает эту энергию сначала в кинетическую, а затем в электрическую.

Потенциальной энергией обладает и упруго деформированное тело, например сжатая пружина или натянутая тетива лука, и в механических часах энергия заведённой пружины несколько суток подряд понемногу расходуется на движение стрелок. Если на тело не действуют силы трения и сопротивления, сумма его кинетической и потенциальной энергии остаётся постоянной, и в этом состоит закон сохранения механической энергии, который хорошо виден на качелях: в верхней точке качели на мгновение останавливаются, а внизу движутся быстрее всего.

Внутренняя энергия тела складывается из кинетической энергии беспорядочного движения его молекул и потенциальной энергии их взаимодействия, и чем выше температура тела, тем больше его внутренняя энергия. Изменить её можно двумя способами, совершая работу, как при трении ладоней друг о друга, или путём теплопередачи, когда холодная ложка нагревается в горячем чае, и именно превращение внутренней энергии топлива в механическую работу лежит в основе всех тепловых двигателей, от паровой машины до реактивного двигателя самолёта.

1.3 Другие виды энергии

Определение электрической энергии

Электрической энергией называют энергию электрического тока и электрического поля, и её главное удобство состоит в том, что её легко передавать по проводам на большие расстояния и превращать в любой другой вид энергии: в свет лампы, тепло чайника, механическую работу двигателя пылесоса или звук динамика. Количество израсходованной электроэнергии в быту измеряют в киловатт-часах, и один киловатт-час равен 3,6 миллиона джоулей, то есть примерно столько энергии потребляет электрочайник мощностью два киловатта за полчаса работы.

Определение магнитной энергии

Магнитной энергией обладает магнитное поле, созданное постоянным магнитом или электрическим током, и она проявляется, например, когда магнит притягивает железный гвоздь, совершая работу. Энергия магнитного поля используется в трансформаторах, электромагнитах подъёмных кранов на металлургических заводах и в поездах на магнитной подвеске, которые парят над путём без трения о рельсы, а в электрических генераторах энергия вращения превращается в электрическую именно благодаря взаимодействию магнитного поля с проводниками.

Определение химической энергии

Химическая энергия запасена в связях между атомами в молекулах и выделяется при химических реакциях, прежде всего при горении и окислении. Её мы получаем, сжигая топливо, на ней работают батарейки и аккумуляторы телефона, а живые организмы получают её из пищи, причём человеку в возрасте 11–14 лет требуется в сутки около 2 300–2 500 килокалорий, то есть почти десяти миллионов джоулей, которые расходуются на работу сердца и мозга, рост, движение и поддержание температуры тела.

Примеры проявления других видов энергии в природе и технике

Самым мощным источником энергии для нашей планеты служит Солнце, и почти все остальные виды энергии на Земле в конечном счёте получены от него: растения с помощью фотосинтеза превращают энергию солнечного света в химическую энергию органических веществ, из древних растений образовались уголь и нефть, а испарение воды под действием солнечного тепла приводит в движение круговорот воды, благодаря которому работают гидроэлектростанции. Исключение составляют атомная энергия, освобождающаяся при делении ядер урана на атомных станциях, и энергия приливов, вызванных притяжением Луны, которую использует, например, Кислогубская приливная электростанция, построенная в 1968 году на Кольском полуострове.