Scenariusz

Temat

Podsumowanie wiadomości o pracy, mocy i energii

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

III. Energia. Uczeń:

5) wykorzystuje zasadę zachowania energii do opisu zjawisk oraz zasadę zachowania energii mechanicznej do obliczeń.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Przypomnienie podstawowych wiadomości o pracy, mocy i energii.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Stosuje definicję pracy i mocy w zadaniach problemowych i rachunkowych.

2. Opisuje na przykładach przemiany energii, stosując zasadę zachowania energii.

3. Stosuje zasadę zachowania energii mechanicznej w rozwiązywaniu zadań obliczeniowych.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- opisuje na przykładach przemiany energii, stosując zasadę zachowania energii,

- stosuje zasadę zachowania energii mechanicznej w rozwiązywaniu zadań obliczeniowych.

Metody kształcenia

1. Metoda odwróconej lekcji.

2. Pogadanka i wykład.

Formy pracy

1. Praca samodzielna ucznia z książką i z Internetem.

2. Poszukiwanie rozwiązań problemów fizycznych w grupach.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Proszę przygotować odpowiedzi na następujące pytania:

1. Jak definiujemy pracę w fizyce?

2. Jak wyznaczamy moc urządzenia?

3. Podaj związek pomiędzy praca a zmianą energii mechanicznej.

4. Do czego służą maszyny proste?

Realizacja lekcji

[Slideshow]

Definicja:

Praca to wielkość fizyczna, która jest iloczynem wartości siły i wartości przemieszczenia ciała w kierunku równoległym do kierunku działania siły:

W = F \cdot s

gdzie:
F - wartość siły działającej wzdłuż kierunku przesunięcia,
s - wartość przemieszczenia ciała.

Pracę wyrażamy w dżulach [J]:

[J] = [N \cdot m = k g \cdot \frac{m}{s^{2}} \cdot m = \frac{k g \cdot m^{2}}{s^{2}}]

Aby wykonać pracę w sensie fizycznym należy.

1. Działać na ciało siłą o wartości różnej od zera.

2. Przesunięcie ciała musi być różne od zera.

3. Kierunek działania siły nie może być prostopadły do kierunku przesunięcia ciała.

Moc jest to wielkość fizyczna wyrażona liczbowo jako iloraz pracy i czasu jej wykonania:

m o c = \frac{w y k o n a n a p r a c a}{c z a s w y k o n a n i a p r a c y}

Symbolicznie:

P = \frac{W}{t}

gdzie:
P - moc,
W - wykonana praca,
t - czas, w którym praca ta została wykonana.

Moc wyrażamy w watach [W]:

[W] = [\frac{J}{s} = \frac{N \cdot m}{s} = k g \cdot \frac{m}{s \cdot s^{2}} \cdot m = \frac{k g \cdot m^{2}}{s^{3}}]

Moc informuje nas o tym:

- jaka praca jest wykonywana w jednostce czasu,

- jak szybko jest wykonywana ta praca.

Maszyny proste to urządzenia pozwalające na wykonywanie danej pracy przy użyciu sił o mniejszej wartości.

Z fizycznego punktu widzenia maszyny proste tylko ułatwiają wykonanie danej pracy, ale nie zmniejszają ilości energii potrzebnej do jej wykonania.

Przykłady maszyn prostych:

- dźwignia jednostronna,

- dźwignia dwustronna,

- blok nieruchomy,

- kołowrót,

- blok ruchomy,

- równia pochyła,

- śruba lub ślimak,

- wielokrążek,

- przekładnia zębata,

- mechanizm korbowy,

- prasa hydrauliczna.

Definicja:

Dźwignia dwustronna to sztywny pręt podparty w jednym punkcie, do którego siły są przyłożone po obu stronach punktu podparcia.

Definicja:

Dźwignia jednostronna to sztywny pręt podparty w jednym punkcie, do którego siły są przyłożone po jednej stronie punktu podparcia.

Definicja:

Kołowrót składa się zazwyczaj z wału o promieniu r oraz korby. Długość ramienia korby R jest większa od promienia walca r.

[Ilustracja 1]

Definicja:

Bloczek nieruchomy to krążek, który może wykonywać obrót wokół nieruchomej osi. Przez krążek taki jest przerzucona linka, która nie ślizga się względem powierzchni krążka.

[Ilustracja 2]

Definicja:

Bloczek ruchomy to krążek z przerzuconą liną nieślizgającą się po powierzchni bloczka, mogący przemieszczać się w kierunku pionowym oraz wykonywać obrót.

[Ilustracja 3]

Energia:

Energia – skalarna wielkość fizyczna charakteryzująca stan układu fizycznego jako jego zdolność do wykonania pracy.
Energia występuje w różnych postaciach np.: energia kinetyczna, energia potencjalna grawitacyjna, energia potencjalna sprężystości, energia cieplna, energia jądrowa.
Zasada zachowania energii mechanicznej to szczególny przypadek ogólnej zasady zachowania energii.
Zasadę zachowania energii mechanicznej możemy stosować tylko wtedy, gdy nie ma oporów ruchu.

Energia może jedynie zmieniać swoją postać, jednak nie może być tworzona ani niszczona (zasada zachowania energii). Np. „produkcja energii” w elektrowni węglowej oznacza tylko przekształcenie energii chemicznej w elektryczną.

Praca jest jednym ze sposobów zamiany jednej postaci energii w drugą.

Praca jest równa zmianie energii:

W = Δ E

Czyli wykonana praca jest zawsze równa zmianie energii układu.

Definicja:

Energia kinetyczna ciała jest związana z ruchem. Ciało o masie m poruszające się z prędkością v posiada energię kinetyczną, którą obliczamy ze wzoru:

E_{k} = \frac{m \cdot v^{2}}{2}

Rozpędzony samochód osobowy posiada z pewnością energię kinetyczną. Duży samochód ciężarowy, który porusza się z nieco mniejszą prędkością może mieć nawet większą energię kinetyczną, ponieważ jego masa jest znacznie większa od masy samochodu osobowego.

Definicja:

Energia potencjalna (grawitacyjna).
Energia ta jest związana z oddziaływaniem grawitacyjnym pomiędzy ciałem o masie m a Ziemią (planetą). Energia ta zależy od masy ciała i od wysokości, na której znajduje się ciało i wyraża się wzorem:

E_{p} = m \cdot g \cdot h

Stała g nazywa się przyspieszeniem grawitacyjnym (przyspieszenie swobodnego spadku) i jej wartość dla Ziemi wynosi $g \approx 9, 81 \frac{m}{s^{2}}$ .

Wartość przyspieszenia grawitacyjnego dla innych planet czy Księżyca jest różna od podanej wartości i np. dla Księżyca wynosi $g \approx 1, 622 \frac{m}{s^{2}}$ .

Definicja:

Energią mechaniczną będziemy nazywać sumę energii kinetycznej i potencjalnej ciała:

E_{m} = E_{k} + E_{p}

Zasada zachowania energii mechanicznej to jedna z najważniejszych zasad w fizyce. Mówi ona, że w przypadku układu ciał, na który nie działają żadne siły zewnętrzne oraz nie działają żadne siły oporu, całkowita energia mechaniczna układu pozostaje stała.

Podsumowanie lekcji

1. Większość zjawisk w przyrodzie związana jest z przemianami energii. Energia może zostać przekazana od jednego ciała do drugiego (np.: w postaci energii cieplnej) lub ulec przemianie z jednej formy w drugą (np.: energia kinetyczna w energię potencjalną, energia elektryczna w energię cieplną).

2. Siła działająca na ciało wykonuje pracę, gdy podczas działania tej siły następuje przemieszczenie ciała lub jego odkształcenie.

3. Mocą urządzenia nazywamy iloraz pracy i czasu, w którym została ona wykonana.

4. Mówimy, że układ ciał jest zdolny do wykonania pracy, jeżeli posiada on energię mechaniczną. Przyrost energii mechanicznej układu $Δ E$ jest równy pracy sił zewnętrznych wykonanej nad tym układem $Δ E = W$ .

Wracając do poprzedniego stanu, układ może (kosztem swojej energii) wykonać pracę o takiej samej wartości.

5. Jednostką energii jest dżul [ J ], a mocy wat [W].

6. Energię mechaniczną dzielimy na: energię potencjalną (grawitacji i sprężystości) i energię kinetyczną. Energia potencjalna ciała zależy od jego położenia względem drugiego ciała, z którym oddziałuje. Energia potencjalna grawitacji zmienia się, gdy zmienia się odległość ciała od Ziemi. Energia potencjalna sprężystości jest związana z odkształceniem sprężystym ciała.

7. Jeśli ciała układu oddziałują na siebie tylko siłami grawitacyjnymi lub sprężystości, a siła zewnętrzna nie wykonuje nad nim pracy, to całkowita energia mechaniczna czyli suma energii potencjalnej i kinetycznej tego układu, nie ulega zmianie.

Summary of material concerning work, power and energy

Lesson plan

Temat

Etapy lekcji