Потенциальная энергия – это энергия, зависящая от взаимного расположения взаимодействующих тел или частей одного и того же тела.

В системе «тело-земля» потенциальная энергия равна

Потенциальная энергия может быть

,

,

,

в зависимости от выбора начала отсчета (рис. 1).

Для упруго деформированного тела потенциальная энергия равна

,

где k – коэффициент жесткости тела, ∆ x – растяжение тела.

Полная механическая энергия системы равна:

Одним из фундаментальных законов природы является закон сохранения и превращения энергии, согласно которому в изолированной системе энергия не откуда не появляется и никуда не исчезает, она лишь переходит из одной формы в другую при этом её количество остаётся постоянным.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение момента инерции махового колеса и силы трения в опоре.

МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

Момент инерции махового колеса и силу трения в опоре можно определить с помощью установки изображенной на рис. 2. прибор состоит из махового колеса К, насаженного на вал. На шкив вала наматывается нить, к которой прикрепляется груз массой m.

На высоте h₁ потенциальная энергия груза .Если предоставить возможность грузу падать, маховое колесо придёт во вращательное движение. При этом потенциальная энергия груза перейдет в кинетическую энергию поступательного движения груза и кинетическую энергию вращательного движения махового колеса , а также будет расходоваться на работу по преодолению силы трения в опоре .

Согласно закону сохранения энергии:

или

(1)

Величина силы трения F определяется следующим образом. Маховое колесо, вращаясь по инерции, поднимает груз m на высоту h₂ (h₂< h₁), потенциальная энергия груза на этой высоте будет равна . Уменьшение потенциальной энергии при подъёме груза равно работе по преодолению силы трения в опорах О₁ и О₂, т.е.

откуда

(2)

Движение груза равноускоренное без начальной скорости, поэтому ускорение a и скорость υ соответственно равны:

;

где t – время опускания груза с высоты h_{1 .}

Угловая скорость махового колеса связана с линейной скоростью соотношением , откуда

где r – радиус шкива.

Подставляя в уравнение (1) значения силы F, линейной υ и угловой ω скоростей, получим выражение для вычисления момента инерции махового колеса:

(3)

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

ОБОРУДОВАНИЕ: прибор для определения момента инерции махового колеса и силы трения в опоре, штангенциркуль, масштабная линейка, секундомер, шнур с грузом.

ХОД РАБОТЫ:

1. Наматывают в один ряд на шкив шнур с грузом массы m до высоты h₁.

2. Когда груз m будет находиться на расстоянии 0, 5 см. от пло­щадки П₁ ему предоставляют возможность падать, при этом включают секундомер. Когда груз коснется площадки П₂, секундомер выключают. Определяют время падения груза t.

3. Определяют высоту h₂ на которую поднимается груз после падения.

4. Опыт повторяют 3 раза.

5. Измеряют штангенциркулем радиус шкива r.

6. Полученные опытным путём результаты заносят в таблицу 1

Таблица1.

№ опыта	m (кг)	m	r (м)	Δ r	h1	Δ h1	h2	Δ h2	t	g	Δ g
1.
2.
3.
Средние значения	_	_	_	_	_	_				_	_

7. Рассчитывают силу трения в опоре по формуле (2)

8. Вычисляют момент инерции махового колеса по формуле (3)

9. Производят расчет погрешностей и все полученные результаты заносят в таблицу 2.

Таблица 2.

10. Результат записывают в виде

F = (F_{ср .}± ∆ F_{ср .})

J = (J_{ср ..}± ∆ J_{ср .})

11. По результатам работы делают вывод о факторах, ограни­чива­ю­щих точность опытов.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. В чём заключается физический смысл понятий энергия и работа?

2. Дайте определение кинетической энергии. Запишите формулы кинетической энергии для поступательного и вращательного движения.

3. Дайте определение потенциальной энергии. Запишите формулы потенциальной энергии в системе «тело-земля» и для упруго деформированного тела.

4. Сформулируйте закон сохранения и превращения энергии.

5. Какая величина называется моментом инерции? В каких единицах измеряется момент инерции?

6. Объясните применение закона сохранения энергии при вычислении силы трения в опоре и момента инерции махового колеса.

ЛИТЕРАТУРА

1. Р. И. Грабовский. Курс физики. – СПб.: «Лань», 2009.