Жұмыс. Энергия. Қуат тарауына есептер шығарудың әдістері.

Мазмұны

1.                Кіріспе

2.                Негізгі бөлім

2.1.          Жұмыс туралы жалпы түсінік

2.2.          Жұмыс тақырыбына есептер шығару әдістері

2.3.          Энергия және оның түрлері

2.4.          Энергия және оның түрлеріне есептер шығару

2.6.                   Қуат

2.7.                   Қуатқа есептер шығару тәсілдері

3.                Қорытынды

4.                Пайдаланылған әдебиеттер

Кіріспе

1.1.          Жұмыс физикада – күштің сан шамасы мен бағытына және оның түсу нүктесінің орын ауыстыруына тәуелді күш әсерінің өлшемі. Күштің жұмысы деп те аталады.

Энергия (гр. Energeia – әсер, әрекет) –материя қозғалысының әр түрлі жалпы өлшеуіші.

Материя қозғалысынң әр түрлі формалары бір-біріне айналып (түрленіп) отырады. 19 ғасырдың орта шенінде осы қазғалыстың барлық формалары бір-біріне белгілі бір сандық мөлшерде ғана айтылатындығы анықталды; осы жағдай «энергия» ұғымын енгізуге, яғни қозғалыстың әр түрлі физикалық формаларын біріңғай өлшеуішпен өлшеуге мүмкіндік берді. «Энергия» ұғымы сақталу заңына бағынады (қ. Энергияның сақталу заңы, Термодинамика). Энергия туралы түсінік мәңгілік қозғалтқыш жасаудың мүмкін еместігін дәлелдеуге пайда болады.

Қозғалыстың әр түрлі формасына сәйкес энергияның да бірнеше түрі бар (мысалы, механикалық энергия, химиялық энергия, электромагниттік энергия, гравтиациялық энергия, ядролық энергия, т.б.)

Қуат (орыс. Мощность) уақыт бірлігі ішінде істелінген жұмыстың сол уақытқа қатынасымен өлшенетін физикалық шама.

                                      Тақырыптың өзектілігі

1.2. Жұмыс және энергия ұғымы физиканың негізгі ұғымдардың қатарына жатады. Бұл екі ұғым өзара тығыз байланысты. Физика оқыту методикасында талас туғызатын тақырып мектептегі оқып үйренуді жұмыс ұғымына бастау керек пе, әлде энергия ұғымынан бастау керек пе деген мәселе болып табылады. Олардың қайсысы бірінші орында, қайсысы екінші орында тұрады. Бұл сұрақтарға жауап беру үшін ең алдымен жұмыс және энергия ұғымдарына қысқаша ғылыми методикалық талдау жасап алайық, ал сонан соң оларды дидактикалық позиция тұрғысынан қарастырамыз. Энергиядан бастайық. Біз материя қозғалысының алуан түрлі физикалық формалары бар екенін білеміз қозғалыстың осы формаларының бврлығы белгілі. Бірқатар сандық қатынастарда бір-біріне айналады. Осыдан материя қозғалысының алуан түрлі формаларын кандай да бір ортақ өлшеуішпен өлшеу мүмкіндігі келіп шықты.

                                      Мақсаты мен міндеттері.

1.3. Жұмыс. Қуат. Энергия тарауына есептер шығаруда оқушының жеткілікті физикалық білім мен біліктілік жүйесін түпкілікті жете меңгеруін қамтамасыз етеді.

       Негізгі міндеті есепті шешумен қатар, физиканы тереңдетіп оқыту оқұшылардың пәнге деген қызығушылығын қалыптастыруды, физикаға бейімдіктерін анықтауды мақсат етеді.

1.     Негізгі бөлім

Жұмыс.  күштің белгілі бір жолда әсер етуін сипаттайтын физикалық шама.

Егер күштің (F) сан шамасы мен бағыты тұрақты, ал дененің орын ауыстыруы (M₀M₁) түзу сызықты болса , онда Жұмыс  – күштің бағыты мен дененің орын ауыстыруы арасындағы бұрыш, ал s=(M₀M₁).

Декарттық координаттар жүйесіндегі элементар Жұмыс былайша өрнектеледі: dA=Fxdx+Fydy+Fz dz (1) мұндағы Fx, Fy, Fz – күштің координат осьтеріндегі проекциялары, x, y, z – күштің түскен нүктелерінің координаттары. Жұмыстың бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) өлшеу бірлігі – джоуль. Жұмыстың бұдан да басқа эрг (1 эрг=10–7Дж) және килограмм-күш-метр (1 кгкҺм=9,81 Дж) сияқты өлшеу бірліктері бар. Күштің жұмысын жалпы түрде есептеу үшін элементар жұмыс (dA) деген ұғым ендіріледі: dA=F.s cos 90болса күштің жұмысы теріс, ал 90 Қысым күштерінің жұмысы: dA=pdV, p – қысым, V – көлем. Дененің M₀M₁ сызығы бойымен шекті орын ауыстыруы кезіндегі күштің жұмысы (А). Бұл жағдайда жұмыс күштің түсу нүктесінің траекториясына тәуелді болмайды, белгілі бір орынға ауысқан механикалық жүйенің қозғалысы кезіндегі барлық әсер етуші күштердің жұмыстарының қосындысы сол жүйенің кинетикалық энергиясының (Т) өзгерісіне тең, яғни: =T₁–T₀. “Күштің Жұмысы” ұғымы механикада, сондай-ақ физика мен техниканың әр түрлі саласында кеңінен қолданылады.

2.2. Жұмыс тақырыбына есептер шығару әдістері.

1. Ат арбаға 450Н күш түсіріп, оны 0,5 м/с жылдамдықпен бір қалыпты тартса, ат 2 сағатта қандай жұмыс істейді?

    Берілгені:                                                Шешуі:

F=450H                                                        A=F ^. S

V=0,5                                      S=V ^. t;   A=F ^. V ^. t;

t=2 сағ=7200с                                  А=450Н ^. 0,5 ^. 7200с=302400Дж=302кДж;

А=?

                                      Жауабы: 302 кДж;

2.     Жерде жатқан массасы т=150кг, ұзындығы 1=2м біртекті сырықты тік жоғары қою үшін қандай жұмыс істеу керек?

Берілгені:                   Шешуі: Сырықтың ауырлық центрін жоғары көтеру керек

m=150кг                      А=mgh=>h = ;

l=2м                            А=mg  ;

g=10                        А=150кг ^.10 ^. 1м=1500Дж = 1,5к Дж;

А=?        

                                 Жауабы: 1,5к Дж;              

3.     Иіндіктің иіндерінің қатынасы: 10:2. Оның ұзын иініне әсер ететін күш F₁=170 Н. Онымен жүгі бар жәшікті 15см биіктікке көтеру үшін қандай жұмыс істеу керек?

Берілгені:                                                   Шешуі:

F₁=170 Н                                                      =       

h=15 см=15 ^. 10^-2 м                                   A= F₂  ^.  h

 =  = 5                                                   F₂ =      ^. F₁;             

     A=?                                                        А =   ^.  F₁h

  A = 5 ^. 170H ^. 15 ^. 10^-2 м   =  1275 Дж;

4.     Массасы 10кг дене ұзындығы 1,4м көлбеу жазықтықтан сырғанап түседі. Жазықтықтың көкжиекпен көлбеулік бұрышы 30⁰. Ауырлық күшінің жұмысы. (g=10м/с²)?

Берілгені:                                                           Шешуі:

m=10кг                                                        F₁=mg sin2

l=1,4 м                          A=?                        A=mgl sin2                           

 = 30⁰                                                         A=10 кг  ^. 10   ^.  1,4м  ^.  sin30⁰=70 Дж;

                                     Жауабы: A=70 Дж;                

         2.3. Энергия (гр. energeіa – әсер, әрекет) – материя қозғалысының әр түрлі формасының жалпы өлшеуіші.

Материя қозғалысының әр түрлі формалары бір-біріне айналып (түрленіп) отырады. 19 ғасырдың орта шенінде осы қозғалыстың барлық формалары бір-біріне белгілі бір сандық мөлшерде ғана айтылатындығы анықталды; осы жағдай “энергия” ұғымын енгізуге, яғни қозғалыстың әр түрлі физикалық формаларын бірыңғай өлшеуішпен өлшеуге мүмкіндік берді. “ Энергия” ұғымы сақталу заңына бағынады (қ. Энергияның сақталу заңы, Термодинамика). Энергия туралы түсінік мәңгілік қозғалтқыш жасаудың мүмкін еместігін дәлелдеуге байланысты пайда болды. Жұмыстың қоршаған ортадағы немесе жүйедегі белгілі бір өзгерістің (отынның жануы, судың құлауы, т.б.) нәтижесінде ғана орындалатындығы анықталды; дененің бір күйден басқа бір күйге ауысуы кезіндегі белгілі бір жұмыс істеу қабілеті оның энергиясы деп аталды.

Қозғалыстың әр түрлі формасына сәйкес энергияның да бірнеше түрі бар (мысалы, механикалық энергия, химиялық энергия, электромагниттік энергия, гравитациялық энергия, ядролық энергия, т.б.) Физиканың даму процесінде энергия ұғымы нақтыланып әрі жалпыланып отырды. Энергия туралы ілімнің дамуындағы маңызды бір кезең үздіксіз ортадағы энергия қозғалысы мен “ энергия ағыны” туралы ұғымның енгізілуі болды. Энергия ағыны деп энергия тығыздығы мен берілген ортадағы орын ауыстыру жылдамдығының көбейтіндісіне тең векторды айтады.

Кванттық физиканың дамуы энергияның квантталатындығы жайлы, яғни кейбір жағдайда жүйенің энергиясы тек дискретті (үздікті) мәндерді ғана қабылдайды деген фактіні дәлелдеуге мүмкіндік берді. Мұндай жағдай мысалы, сәуле шығару энергиясына, микробөлшектердің тербеліс және айналу энергиясына қатысты айтылады.

 Салыстырмалық теориясында энергия (Е) мен масса (m) арасындағы байланыстың (Е=mс², мұндағы с – вакуумдегі жарық жылдамдығы) ашылуы физика үшін зор маңызды болды. Бұл өрнек әмбебаб қатынас болып есептеледі. Сондықтан ол тіпті өте кішкентай микробөлшектің өзінде де әрқашан қозғалыстың белгілі бір түрі болатындығын көрсетеді. Мұндай қозғалыстың өлшеуіші mс2 өрнегі болады. Әсіресе бұл қатыстың ядролық  энергетиканың дамуына байланысты іс жүзіндегі маңызы арта түсті. Энергия бірліктердің халықаралық жүйесінде (СИ) джоульмен, бірліктердің СГС жүйесінде эргпен өлшенеді. Ал ядролық және атомдық физикада энергияның өлшеу бірлігі ретінде электронвольт алынады.

Механикалық энергия екіге бөлінеді: потенциалдық және кинетикалық энергия. Потенциалдық энергия денелердің немесе дене бөліктерінің өзара алмасуынан пайда болады. Кинетикалық энергия дене қозғалысқа түскенде пайда болады.

Кинетикалық энергия E_k=  mv²   кинетикалық энергияның өзгеруі сол жүйеге түсірілген күштердің атқарған жұмысына тең:   А= Ek.

Потенциалдық энергия Ep=mgh.

Потенциалдық энергияның өзгеруі сол жүйеге түсірілген күштердің атқарған жұмысына тең.

                                  А=   Ep

Деформацияланған дененің потенциалдық және кинетикалық энергия E деп атаймыз.

                                   E=E_к+Ep

Механикалық энергияның сақталу заңы

                                  E=E_к+Ep=const.

тұйық денелер жүйесінің толық энергиясы тұрақты шама, яғни энергия жоқтан пайда болмайды не жойылмайды, ол тек бір күйден 2ші күйге ауысады.

               2.4. Энергия және оның түрлеріне есептер шығару.

1. Массасы 1кг денеге 2с бойы 3н күш әсер етеді. Оның кинетикалық энергиясы (V₀=0)?

Берілгені:                                                Шешуі:

m=1кг                                               E_k=

t=2c                                              F=m                  V = V-V₀  немесе

F=3H                                               V=V_1;                         V₀=0

Е_к=?                                              E_k=       ^.  (  )²    немесе   

F_к=    ^.  ( F)²

F_к=  (3Н ^. 2с)²=18Дж;

                                 Жауабы:   E_k=18Дж;

2.  Массасы 10кг дене жоғарыдан құлап, 4с-та жерге түсті. Оның жолының ортаңғы нүктесіндегі кинетикалық энергиясы?

Берілгені:                                     Шешуі: дененің құлау биіктігін анықтаймыз:

m=10кг                                               h=

t=4c                                             оның ортанғы нүктесі:

W=?                                            ho =         немесе ho =

W=        W=   ^. 2gho=mgho;       W=     (gt)²;

W=   ^.  (  ^. 4с)² = 4 ^. 10^3Дж;

Жауабы: W= 4 ^. 10^3Дж немесе 4^кДж;

2.5. Қуат (орыс. мощность ) уақыт бірлігі ішінде істелінген жұмыстың сол уақытқа қатынасымен өлшенетін физикалық шама.

1. Сәулеленетін энергияның мөлшері немесе уақыт бірлігінде орындалатын кез келген жұмыс, өлшем бірлігі ватт.

2. Жүйенің өнім шығаруға, яғни оның уақыт бірлігіі ще белгілі бір жұмыс көлемін орындау қабілеттілігін анықтайтын сипаттама.

3. Белгілі бір қасиеттерге ие, кодалау теориясындағы көрсеткіш берілген жиында N элементтер санын сипаттайды. М символдарынан N разрядты бірыңғай қуаты N = т".

Өлшем бірлігі

Қуаттың бірліктердің халықаралық жүйесіндегі (СИ) өлшем бірлігі – Ватт (Вт). Вт=Дж/с. Қуаттың еселі өлшемдері:1 кВт=10³Вт, 1 МВт=10⁶Вт техникада кеңінен қолданылады; сонымен қатар Қуат бірлігі ретінде ат күші (а. к.) де қолданылады, 1 а.к.=735,5Вт.

Қуат

Бірқалыпты жұмыс істейтін жүйе үшін қуат: N=А/t өрнегі бойынша есептеледі, мұндағы А – t уақыт ішінде істелетін жұмыс, жалпы жағдайда лездік қуат -

,

dA – элементар уақыт бірлігі (dt) ішіндегі элементар жұмыс.

Механикалық қуат

Дененің қозғалыс бағытымен әсер ететін тұрақты күштің қуатын:

өрнегімен де анықтауға болады, мұндағы F – денеге әсер ететін күш, V – дененің жылдамдығы.

Электр қуаты

Электр қуатының әсерлік мәні:

Р= I ^. U

Мұндағы:

 I =         U = 

формуласымен есептеледі.

I_m,  U_m, - тоқ күші мен кернеудің амплитудалық мәндері.

                                                          Қуат

1. Айнымалы тоқ желісіне ваттметр қосылған. Желідегі кернеу 120В, тоқ 6А және cos ү = 0,85 болған кездегі ваттметрдің көрсетуі?

Берілгені:                                                            Шешуі:

U = 120В                                                        Ваттметр тоқ

I = 6А                                                            Желісінде тоқ

cos ү = 0,85                                                  қуатын өлшейді

       N=?                                                     сонда: N=UI cos ү

N=120B ^. 6A ^. 0,85 = 612Bт;

2. Рубинді лазер бір импульсі кезінде толқын ұзындығы 6,6 ^. 10^-7м  болатын   2 ^. 10^-3с  болса, лазердің сәуле шығаруының орташа қуаты (h=6,6 ^. 10^-34 Дж ^. с)?

Берілгені:                                                            Шешуі:

L = 6.6 ^.  10^-7м                                           N_орm =

N= 2 ^. 10¹⁹                                                  E_орm = E₁;   E₁ = hv  немесе

      N_орm = ?                                          E_орm = ;    N_орm  =

N_орm =    =  3 ^.    10³ Bm

Жауабы: N_орm = 3 ^.  10 ³ Bm

                                                          Қорытынды

Қорыта келгенде "Энергия" тақырыбын оқып үйрену нәтижесинде оқушылар қандай оқу материалдарын жақсы меңгеріп алуы екендігін қысқаша көрсете кетейік.

1) Қандай жағдайда дененің немесе бейнелер жүйесін механикалық энергиясы болады.

2) Механикалық энергияның қай түрі потенциалық немесе кинетикалық энергия деп аталады.

3) Кенетикалық және потенциалық энергиясы бар денелерге мысалдар келтіру.

4) Энергия өзгерісінің өлшеуіші жұмыс болып табылатынын есте сақтау керек.

               Пайдаланылған әдебиеттер

1.     Преподавание физика в 7-8 классах средней школы. Пособие для учителей А.В.Перышкин, Н.А.Родина, Х.д.Рошовская и др., Мектеп, 1981ж.

2.     Физика Б.С.Арызханов, Мектеп, 1980ж.

3.     ИФМ журналы 2009 №4, 2003 №2

4.     Көшеров Ә.Ж. Физикадан күрделі тест тапсырмаларын шығару тәсілдері. Шымкент 2011ж.

5.     А.П.Рымкеевич. Есептер жинағы.