Открытый урок по теме: Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии. Применение законов сохранения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО РЫБОЛОВСТВУ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«КЕРЧЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МОРСКОЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
СУДОМЕХАНИЧЕСКИЙ ТЕХНИКУМ
МЕТОДИЧЕСКАЯ РАЗРАБОТКА ОТКРЫТОГО УРОКА
по теме
«Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии. Применение законов сохранения»
Дисциплина «Физика»
Керчь, 2016
№ СОДЕРЖАНИЕ Стр.
1 План занятия 3
2 Ход занятия 4
3 Основной теоретический материал лекции 5
4 Приложение А. Задания для устного опроса. Задачи для повторения изученного материала 14
5 Приложение Б. Задачи для закрепления полученных знаний 15

ПЛАН ЛЕКЦИОННОГО ЗАНЯТИЯ №14
« 26» 2016 г.
Группа: СЭМ -116
Специальность: 26.02.06
Тема: Энергия. Кинетическая энергия. Потенциальная энергия. Закон сохранения механической энергии. Применение законов сохранения
Цели занятия:
Образовательная: ознакомится с понятием энергии; изучить два вида механической энергии – потенциальную и кинетическую; рассмотреть закон сохранения энергии; развить навыки решения задач.
Развивающая: содействовать развитию речи, учить анализировать, сравнивать, способствовать развитию памяти, логического мышления.
Воспитательная: помощь в самоактуализации и самореализации в учебном процессе и будущий профессиональной деятельности
Тип: комбинированноеМетоды: беседа
Материально – техническое обеспечение и дидактические средства, ТСН: компьютер, проектор, экран.
Литературы (основная и дополнительная):
1 Мякишев Г.Я., Физика 10 класс:учеб.для общеобразовательных орган.:базовый уровень./ Г.Я Мякишев ,Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский ,– М.:Просвещение, 2014.- 416 с.
2.Физика 10 класс: уч. для общеобразов. орган.: углублённый уровень/ О.Ф Кабардин [и др] М.Просвещение,2014-416 с.
1.Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.
2.Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Сборник задач: учеб. пособие для образовательных учреждений сред. проф. образования. — М., 2014.
3.Дмитриева В. Ф., Васильев Л. И. Физика для профессий и специальностей технического профиля. Контрольные материалы: учеб. пособия для учреждений сред. проф. образования / В. Ф. Дмитриева, Л. И. Васильев. — М., 2014.

ХОД ЗАНЯТИЯ:
1. Организационная часть1 мин.
1.1. Приветствие студентов
1.2. Подготовка аудитории к занятию, проверка наличия студентов
2. Актуализация опорных знаний
Актуализация знаний проводится в виде фронтального опроса и решения задач (Приложение А)15 мин
3. Сообщение темы, формирование цели и основных задач1 мин
4. Мотивация обучения1 мин
Необходимость изучения данной темы объясняется ее значимостью в объяснении многих явлений природы, а также тем, что знание фундаментальных законов физики облегчает усвоение общетехнических дисциплин
5. План занятия
1. Механическая энергия
2.Кинетическая энергия
3.Потенциальная энергия
4.Закон сохранения энергии(видео демонстрация)
5.Применение закона сохранения энергии 15 мин
7. Закрепление знаний студентов
Решение количественных задач (Приложение Б) 15 мин
Решение кроссворда (Приложение В)10 мин
8. Подведение итогов1 мин.
9. Домашнее задание: (1) §41, 42, 44, 45 Упр. стр 148 А1-А31 мин.

ОСНОВНОЙ ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ЛЕКЦИИ
Механическая энергия
В данной теме будут рассмотрены кинетическая и потенциальная энергии и закон сохранения энергии.
Прежде чем переходить к формулированию понятия энергии, давайте еще раз вспомним, что же такое механическая работа? Механическая работа – это физическая величина, равная произведению действующей силы на путь, пройденный телом под действием силы.

Единица измерения работы в системе СИ – Дж (Джоуль)
1Дж=1Н·м.
Работа совершается в том случае, если тело движется под действием силы.
Рассмотрим несколько примеров.
На наклонной плоскости расположим шарик, внизу поставим брусок. Шарик, скатываясь, совершает работу по перемещению бруска


Поднимем молоток на некоторую высоту над деревянной доской, в которую воткнули гвоздь. Молоток, падая, совершает работу по перемещению гвоздя вглубь доски.


Растянем пружину и прикрепим к бруску. Отпустив пружину мы видим, что брусок начинает двигаться и под действием силы упругости проходит некоторый путь. И в этом случае совершается работа.


Про тела, которые могут совершить работу, говорят, что они обладают энергией.
Энергия – это физическая величина, характеризующая способность тел совершать работу.
Единица измерения энергии в системе СИ – (Дж)
Обозначается буквой (Е)
Чем большую работу может совершить тело, тем большей энергией оно обладает. При совершении работы энергия изменяется. Совершенная работа равна изменению энергии.
Какие же тела могут совершать работу?
Из примеров видно, что это может быть движущееся тело, поднятое над Землей тело, сжатая или растянутая пружина.
2. Кинетическая энергия
Как энергия тела зависит от его скорости? Для этого рассмотрим движение тела некоторой массы m под действием постоянной силы (это может быть одна сила или равнодействующая нескольких сил), направленной вдоль перемещения.

Эта сила, естественно, вызывает ускорение тела, то есть изменяет его скорость. Кроме того, она совершает работу.
A=F·SСледовательно, между работой результирующей силы и изменением скорости тела должна существовать связь. Известно, что согласно второму закону Ньютона, равнодействующая всех сил, действующих на тело, прямо пропорциональна массе тела и его ускорению.
F=maА ускорение тела можно определить по известной кинематической формуле, связывающей модуль ускорения тела, изменение его скорости и модуль перемещения.

Преобразуем формулу для работы, с учетом последних двух формул.

Полученная формула связывает работу результирующей силы, действующей на тело, с изменением величины

Из курса физики 7 класса известно, что эта величина называется кинетической энергией тела. Таким образом, кинетическая энергия тела – это энергия движения.
Кинетическая энергия тела – величина скалярная, которая зависит от модуля скорости тела, но не зависит от ее направления.
Тогда, работа равнодействующей всех сил, действующих на тело, равна изменению кинетической энергии тела.

Это утверждение называют теоремой о кинетической энергии. Она справедлива независимо от того, какие силы действуют на тело: сила упругости, сила трения или сила тяжести. Так, например, при метании копья, работу совершает мускульная сила человека.
15671807620
А работу, необходимую для разгона пули, совершает сила давления пороховых газов.

Из математической записи теоремы о кинетической энергии следует, что кинетическая энергия выражается в тех же единицах, что и работа, то есть в Дж (джоулях).
Если результирующая сила действует по направлению движения тела и, следовательно, совершает положительную работу, то кинетическая энергия тела увеличивается.
Если результирующая сила направлена в сторону, противоположную движению, она совершает отрицательную работу, и кинетическая энергия тела уменьшается.
Если работа результирующей силы равна нулю, то кинетическая энергия тела не изменяется.
Если начальная скорость тела в какой-либо ИСО равна нулю, то кинетическая энергия тела равна работе, которую необходимо совершить, чтобы покоящемуся телу сообщить скорость. Поскольку скорость тела зависит от выбора инерциальной системы отсчета, то и кинетическая энергия относительная величина , которая также зависит от выбора системы отсчета.
Так, например, кинетическая энергия мальчика, покоящего относительно катера, равна нулю в системе отсчета, связанной с катером, и отлична от нуля, в системе отсчета, связанной с берегом.


3.Потенциальная энергия.
Вторым видом механической энергии, является потенциальная энергия тела. Термин «потенциальная энергия» был введен в 19 веке шотландским инженером и физиком Уильямом Джоном Ренкином.

Ренкин, Уильям Джон
Потенциальная энергия – это энергия системы, определяемая взаимным расположением тел (или частей тела друг относительно друга) и характером сил взаимодействия между ними.
Ранее рассматривали работу, совершаемой силой тяжести в поле тяготения Земли. Тогда говорилось о том, что работа силы тяжести не зависит от формы траектории движения тела и всегда определяется произведением модуля силы тяжести на разность высот в начальном и конечном положениях тела.

Величину, равную произведению массы тела, ускорения свободного падения и высоты тела над нулевым уровнем, называют потенциальной энергией тела в гравитационном поле.
Работа силы тяжести равна убыли потенциальной энергии тела в гравитационном поле Земли.
Если тело падает с некоторой высоты до нулевого уровня, то работа силы тяжести равна его начальной потенциальной энергии.
Таким образом, потенциальная энергия в поле тяготения — это энергия, обусловленная взаимодействием тела с землей; она зависит от их взаимного положения и равна работе, которую совершает сила тяжести при перемещении тела из данного положения на нулевой уровень.
Так как нулевой уровень можно выбирать абсолютно произвольно, то потенциальная энергия в поле тяготения определяется неоднозначно. Однако физический смысл имеет разность потенциальных энергий, а эта разность не зависит от выбора нулевого уровня.
При изменении величины деформации упруго деформированного тела, например, пружины, сила упругости совершает работу, которая зависит от удлинения пружины в начальном и конечном положениях.

В правой части равенства стоит изменение величины со знаком «минус». Поэтому, как и в случае силы тяжести, величина представляет собой потенциальную энергию упруго деформированного тела.

Таким образом, работа силы упругости равна изменению потенциальной энергии упруго деформированного тела, взятому с противоположным знаком.
Если в конечном состоянии удлинение пружины равно нулю, то потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе сил упругости при переходе тела в то состояние, в котором его деформация равна нулю.
О потенциальной энергии тела, находящегося в поле тяготения Земли, говорилось, что это энергия взаимодействия тела с Землей. Потенциальная энергия упруго деформированного тела – это тоже энергия взаимодействия. Однако в этом случае речь идет о взаимодействии частей тела между собой.

4. Закон сохранения энергии
Конечно же тела могут одновременно обладать и кинетической, и потенциальной энергией. Так вот, сумму кинетической и потенциальной энергии тела называют полной механической энергией тела или просто механической энергией.

Можно ли изменить механическую энергию системы и, если можно, то как?
Для начала рассмотрим замкнутую систему «кубик – наклонная плоскость – Земля», при этом будем считать, что кубик движется по наклонной плоскости без трения. Тогда на кубик будут действовать две силы – это сила тяжести и сила нормальной реакции, перпендикулярная наклонной плоскости.

Согласно теореме о кинетической энергии, изменение кинетической энергии кубика равно работе всех сил, действующих на тело.

Так как сила нормальной реакции перпендикулярна перемещению тела, то ее работа равна нулю.
А работа силы тяжести положительна, и она совершается за счет убыли потенциальной энергии взаимодействия кубика с Землей.

Тогда получаем, что увеличение кинетической энергии кубика происходит за счет убыли его потенциальной энергии.

Следовательно, сумма изменений кинетической и потенциальной энергий тела равна нулю. А это значит, что полная механическая энергия замкнутой системы тел, взаимодействующих силами тяготения, остается постоянной. (Такой же результат можно получить и при действии силы упругости.)
Это утверждение и есть закон сохранения энергии в механике.
Таким образом, для любой замкнутой системы тел ВСЕГДА выполняется закон сохранения и превращения энергии: величина полной энергии замкнутой системы остается неизменной.
Просмотрим видеодемонстрацию закона сохранения энергии на маятнике Ньютона.
(Видео демонстрация закона сохранения энергии)
Перед нами модель для показа закона сохранения энергии. Рассмотрим как она работает. Напомним сам закон: полная механическая энергия в замкнутой системе остается величиной постоянной при любых взаимодействиях между собой.
Отведем на произвольную высоту крайний левый шарик, отпустим его. Точно на такую же высоту поднимется крайний правый шарик. Таким образом, вся потенциальная энергия левого шарика перешла в потенциальную энергию крайнего правого шарика.
Повторим опыт. теперь отведем шарик на более маленькую высоту, на такую же маленькую высоту поднимется крайний правый шарик. Так как присутствует сила трения, то со временем все шарики останавливаются, т.е вся наша система является незамкнутой. Часть энергии расходуется на преодоление силы трения.
Этот же опыт повторяется для двух шариков. Также будет и с тремя.
Закон сохранения и превращения энергии является одним из важнейших законов не только физики, но и всех других наук о природе.
Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» - машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

История хранит немалое число проектов «вечного двигателя». В некоторых из них ошибки «изобретателя» очевидны, в других эти ошибки замаскированы сложной конструкцией прибора, и бывает очень непросто понять, почему эта машина не будет работать. Бесплодные попытки создания «вечного двигателя» продолжаются и в наше время. Все эти попытки обречены на неудачу, так как закон сохранения и превращения энергии «запрещает» получение работы без затраты энергии.
5. Применение закона сохранения энергии.
Закон сохранения энергии в физике применяется при решении задач.
Основные выводы:
Рассмотрели, что называют механической энергией системы. Повторили понятия кинетической энергии. Вспомнили и о потенциальной энергии тела при гравитационном взаимодействии и о потенциальной энергии упруго деформированного тела. А также повторили формулировку одного из фундаментальных законов природы — закона сохранения и превращения энергии.
ПРИЛОЖЕНИЕ А
ЗАДАНИЯ ДЛЯ УСТНОГО ОПРОСА
Сформулируйте определение работы?
Какой буквой обозначается? В каких единицах измеряется?
При каких условиях работа силы положительная? отрицательная? равна нулю?
Какие силы называются потенциальными? Приведите примеры?
Чему равна работа, совершаемая силой тяжести? силой упругости?
Дайте определение мощности. В каких единицах измеряется мощность?
ЗАДАЧИ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА
Автомобиль массой 1000 кг, двигаясь равноускоренно из состояния покоя, за 10 с отъезжает на 200 м. Определите работу силы тяги, если коэффициент трения равен 0,05. Ответ:900 кДж
Трактор при вспашке преодолевает силу сопротивления 8 кН, развивая мощность 40 кВТ. С какой скоростью движется трактор? Ответ:5 м/с
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
ЗАДАЧИ ДЛЯ ЗАКРЕПЛЕНИЯ ПОЛУЧЕННЫХ ЗНАНИЙ
Пуля массой 20 г выпущена под углом 600 к горизонту с начальной скоростью 600 м/с. Определите кинетическую энергию пули в момент наивысшего подъема.
Пружина удерживает дверь. Для того чтобы приоткрыть дверь, растянув пружину на 3 см, нужно приложить силу равную 60 Н. Для того, чтобы открыть дверь, нужно растянуть пружину на 8 см. Какую работу необходимо совершить, чтобы открыть закрытую дверь?
Камень брошен с поверхности Земли вертикально вверх со скоростью 10 м/с. На какой высоте кинетическая энергия камня уменьшится в 5 раз по сравнению с начальной кинетической энергией


По горизонтали.
1. Единица энергии в системе СИ.
4. Тело - классический пример для описания реактивного движения.
5. Физическая величина, равная работе, выполненной в единицу времени.
7. Свойство системы, необходимое для сохранения импульса или энергии.
9. Значение слово "импульс" в переводе с латинского языка.
12. Общее свойство ряда величин, суть которого - неизменность величины во времени в замкнутой системе.
13. Единица мощности в системе СИ.
 По вертикали.
2. Состояние системы, в котором потенциальная энергия равна нулю есть нулевой ... .
3. Общее свойство для потенциальной и кинетической энергии, выражающее их зависимость от выбора тела отсчета.
4. Физическая величина, равная произведению проекции силы на направление перемещения и модуля перемещения.
6. Физическая величина, равная произведению массы тела на его скорость.
8. Величина, которая совпадает по направлению с импульсом тела.
9. Утверждение, суть которого в том, что изменение кинетической энергии равно работе равнодействующей всех сил, приложенных к телу.
10. Одна из величин, от которой зависит изменение импульса тела.11. Величина, характеризующая способность тела (системы) выполнить работу.

По горизонтали:
1. ДЖОУЛЬ
4. РАКЕТА
5. МОЩНОСТЬ
7. ЗАМКНУТОСТЬ
9. ТОЛЧОК
12. СОХРАНЕНИЕ
13. ВАТТ
По вертикали:
2. УРОВЕНЬ
3. ОТНОСИТЕЛЬНОСТЬ
4. РАБОТА
6. ИМПУЛЬС
8. СКОРОСТЬ
9. ТЕОРЕМА
10. ВРЕМЯ
11. ЭНЕРГИЯ