Экзаменационные вопросы по естествознанию физика (стр. 6 из 13)

m₁l₁= m₂l₂ , m₁u₁= m₂u_{2 .}

Следовательно, при упругом соударении тел, когда само движение не исчезает, основной мерой является количество движения; если же механическое движение исчезает, например путем перехода его в нагрев тела, то мерой движения должна быть энергия.

2) Примечание относительно момента количества движения.

Закон сохранения момента количества движения внешне находится в явном противоречии с законом сохранения энергии. В самом деле, если, как это сказано в формулировке закона (см.: Яворский Б. М .и Детлаф А. А. Справочник по физике для инженеров и студентов вузов. М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит-ры. 1971, с. 79), момент внешних сил относительно неподвижного центра вращения равен нулю, то момент количества движения системы сохраняется неизменным, т. е.

L = rmu=const, (24)

и следовательно, при движении с изменяющимся радиусом и при отсутствии внешнего момента скорость будет изменяться обратно пропорционально радиусу вращения тела:

(25)

Таким образом, с уменьшением радиуса скорость движения тела должна возрастать, и энергия движения возрастет. Спрашивается, если момент внешних сил равен нулю, то откуда же взялась дополнительная энергия?

Рассмотрение этого вопроса показало, что существуют два способа криволинейного движения тела:

1) вокруг цилиндра при уменьшении радиуса вращения за счет намотки нити, удерживающей теле, на цилиндр (движение без подвода энергии)

2) вокруг центра при уменьшении радиуса за счет подтягивания тела путем укорачивания нити (движение с подводом энергии).

В первом случае проекция силы, удерживающей массу, на траекторию массы равна нулю вследствие того, что угол между нитью и траекторией составляет 90 градусов. Вращение идет вокруг мгновенного центра, перемещающегося по поверхности цилиндра. Этот случай соответствует закону сохранения энергии, скорость движения массы будет неизменной. Здесь сохраняется закон постоянства энергии, а не момента количестве движения.

Во втором случае изменение радиуса траектории возможно лишь в том случае, если нить будет укорочена, а это возможно лишь при ее подтягивании внешней силой, совершающей тем самым работу. При этом угол между нитью и траекторией меньше 90 градусов, и сила удержания массы на нити даст проекцию на траекторию и начнет разгонять груз. В этом случае закон сохранения энергии должен учитывать увеличение энергии на долю выполняемой подтягивающей силой работы. Здесь имеет место закон сохранения момента количества движения: с уменьшением радиуса скорость массы растет обратно пропорционально расстоянию до центра вращения:

(26)

Таким образом, приведенная в справочнике формулировка некорректна, т. к. необходима оговорка: при неподвижном центре вращения, когда для изменения радиуса траектории движения тела необходимо дополнительно подвести энергию, иначе при отсутствии внешних сил и переменном радиусе вращения массы постоянство момента количества движения обеспечено быть не может. В тех случаях, когда внешне такой закон проявляется без видимых причин, например, при движении планет, когда орбитальная скорость планеты уменьшается с увеличением расстояния от Солнца, это означает, что происходит обмен энергиями между движущимся телом и средой, заполняющей мировое пространство. Сейчас это трактуется как обмен между потенциальной и кинетической энергиями, при игнорировании фактической природы потенциальной энергии.

Примечание: к законам сохранения относят также сохранение электрического заряда, сохранение вещества (материи), сохранение потенциального действия (произведения силы на площадь).

11. Формы движения материи. Кинетическая и потенциальная

энергии, их природа и взаимопревращения

На разных уровнях организации материи ее движения проявляются по-разному. Хаотические движения молекул газа или колебания молекул в твердом теле воспринимаются как теплота. Электрические и магнитные поля являются вихревыми движениями эфира. Но так или иначе все это есть движения материи в пространстве и во времени, т. е. движения механические.

Важнейшей мерой движения является энергия как мера движения материи, в конечном итоге переходящей в теплоту при преобразовании механического движения макротела в тепловую энергию его молекул.

Необходимо различать кинетическую и потенциальную энергию. Первая есть мера заключенного в теле количества движения, которое может быть уничтожена путем преобразования ее в тепловую энергию, это есть мера механического поступательного или вращательного движения любого тела.

Вторая мера есть мера запасенной в телах или окружающей среде энергии, которая при определенных условиях может превратиться в кинетическую энергию, такой потенциальной энергией является, например, энергия, запасенная а сжатой пружине, в гравитационном поле или в заряженном конденсаторе.

Кинетическая энергия является мерой его механического движения и измеряется той работой, которую может совершать это тело при его торможении до полной остановки. Кинетическая энергия материальной точки равна половине произведения массы т точки на квадрат скорости u ее движения:

(27)

Потенциальная энергия является мерой той работы, которую совершают потенциальные силы (внешние и внутренние) при переходе материальной точки или системы из текущего состояния в “нулевое состояние”. “Нулевое состояние” системы определяется условиями решаемой задачи. В любом опыте можно измерить только изменение потенциальной энергии, но не ее абсолютное значение.

Потенциальная энергия — работа, которую произведут действующие на систему силы при перемещении системы в точку, где потенциальная энергия условно принята равной нулю.

При любом перемещении масс в системе сумма потенциальной и кинетической энергий остается неизменной.

Поскольку в реальных системах потенциальная энергия Р не только преобразуется в кинетическую, но и затрачивается на потери П в системе, то:

P=W_x+П, (28)

откуда П = Р — W_к, = min — функция Лагранжа, условие движения с минимальными потерями.

В соответствии с СТО существует всеобщая взаимосвязь массы и энергии, выражаемая формулой:

E=mc², (29)

где с — скорость света в пустоте. Эта формула устанавливает “эквивалентность” массы и энергии. На этом основании масса в современной теоретической физике оценивается через энергию — в электрон-Вольтах.

На самом деле масса и энергия — разные категории: масса — мера количества вещества, а энергия - мера движения. Коэффициент пропорциональности — скорость света не может использоваться во всех случаях и, по-видимому, может быть применен только для оценки массы фотона, да и то с оговорками.

12. Существующие и альтернативные источники энергии.

Энергетические преобразователи, их виды и применение

Энергетическими преобразователями являются устройства для преобразования одного из видов природной энергии в вид, удобный для использования человеком.

Природной энергией являются все виды энергии, существующие в природе, которые могут быть использованы для нужд человечества. Обычно под ними подразумевают солнечную и ветровую энергии, энергию морских волн, приливов и отливов, тепловую энергию Земли и ряд других. Наиболее удобным видом энергии из всех, используемым человеком, является электричество, хотя в некоторых случаях природная энергия может быть использована непосредственно, например, тепловая энергия подземных вод, которую можно успешно использовать для обогрева домов, ветры, морские приливы и т. п.

Одним из эффективных видов преобразователей энергии являются так называемые “тепловые насосы”, представляющие собой нечто вроде обычного холодильника, у которого морозильная камера погружена в реку или море. На его калорифере выделяется вся энергия, взятая им из сети плюс вся энергия, добытая из морозильной камеры. Таких “тепловых насосов” построено по всему миру достаточно много, в том числе в Крыму. Кпд таких “насосов” — порядка 4—5, то есть они выделяют энергии в 4—5 раз больше, чем потребляют из сети. К сожалению, выделяемую энергию пока не удается преобразовать в другие виды из-за недостаточно высоких температур выделяемого тепла.

Весьма перспективными для некоторых районов земного шара, в основном, для южных являются солнечные преобразователи энергии. Этот вид преобразователей энергии используется для космических аппаратов. В преобразователях солнечной энергии на больших площадях размешены полупроводниковые элементы, в которых энергия фотонов света использована для выбивания из атомов слабо связанных электронов и создания электрического напряжения. Энергии таких элементов уже сегодня достаточно для поддержания работоспособности всех устройств, расположенных на космических спутниковых аппаратах.

Несмотря на обилие всевозможных источников энергии, которые могут быть использованы человеком, не все они удобны в обращении, не все могут быть использованы в конкретных случаях, не все они конкурентно способны в плане стоимости. Наиболее распространенными, удобными и относительно дешевыми видами энергии являются газ, нефть и вода (гидростанции). В последние десятилетия к ним добавилась атомная энергия (АЭС). Основными потребителями являются электростанции и котельные, потребляющие нефть, уголь и природный газ, а также транспорт. Все эти виды энергии экологически не чисты и ограничены в своих запасах. Поэтому поиски альтернативных видов источников энергий продолжает оставаться актуальным.