Какую работу совершают сторонние силы: 4.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила

Содержание

4.2. Сторонние силы. Электродвижущая сила





					Эти силы могут быть обусловлены химическими процессами, диффузией носителей тока в неоднородной среде, электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми переменными во времени магнитными полями, и т. д. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником электрического тока. Сторонние силы характеризуют работой, которую они совершают над перемещаемыми по электрической цепи носителями заряда. Величина, равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда, называется электродвижущей силой (ЭДС) , действующей в электрической цепи или на ее участке. Представим стороннюю силу , действующую на заряд q, в виде , где векторная величина представляет напряженность поля сторонних сил. Тогда на участке цепи ЭДС равна . Интеграл, вычисленный для замкнутой цепи, дает ЭДС, действующую в этой цепи, . Последнее выражение дает самое общее определение ЭДС и пригодно для любых случаев. Если известно, какие силы вызывают движение зарядов в данном источнике, то всегда можно найти напряженность поля сторонних сил и вычислить ЭДС источника. Физическая природа электродвижущих сил в разных источниках весьма различна. Рассмотрим пример. Пусть имеется металлический диск радиуса R (рис. 4.2), вращающийся с угловой скоростью . Диск включен в электрическую цепь при помощи скользящих контактов, касающихся оси диска и его окружности. Центростремительная сила , где m — масса электрона; r — расстояние от оси диска. Эта сила действует на электрон и поэтому , возникающая ЭДС равна . Вопросы 1) Какие силы называют сторонними и какова их роль в цепи постоянного тока 2) Являются ли сторонние силы консервативными, а поле сторонних сил потенциальным 3) Поясните физический смысл электродвижущей силы, напряжения и разности потенциалов на участке электрической цепи 4) Покажите, что на однородном участке цепи электрический ток течет в сторону уменьшения потенциала наверх

Лаб.

раб. №9(н

Лабораторная
работа № 9.

Тема: Определение
электродвижущей силы (ЭДС) и внутреннего

сопротивления
источника электрической энергии.

Цель:
Используя
закон Ома для полной цепи определить
ЭДС и внутреннее

сопротивление
источника электрической энергии.

Теория

Для получения
электрического тока в проводнике
необходимо создать и поддерживать на
его концах разность потенциалов
(напряжение). Для этого используют
источник тока. Разность потенциалов на
его полюсах образуется вследствие
разделения зарядов. Работу по разделению
зарядов выполняют сторонние (не
электрического происхождения) силы.

При
разомкнутой цепи энергия, затраченная
в процессе работы сторонних сил,
превращается в энергию источника тока.
При замыкании электрической цепи
запасённая в источнике тока энергия
расходуется на работу по перемещению
зарядов во внешней и внутренней частях
цепи с сопротивлениями соответственно
R
и r.

Величина,
численно равная работе, которую совершают
сторонние силы при перемещении единичного
заряда внутри источника, называется
электродвижущей
силой источника тока (ЭДС):

=
А_ст./q

Согласно закону
Ома сила тока в полной цепи прямо
пропорциональна ЭДС

и
обратно пропорциональна ее полному
сопротивлению:

I
=
/(
R+
r)

Преобразуя
закон Ома получим выражение для ЭДС:

где
U₁
= I
R
– падение напряжения на внешнем участке
цепи

U₂
= I
r
– падение напряжения на внутреннем
участке цепи

В
СИ ЭДС выражается в вольтах: []
= B

Электродвижущую
силу и внутреннее сопротивление источника
можно

определить
экспериментально.

—
реостат

—
амперметр

—
вольтметр

—
электрический ключ

—
соединительные провода.

Порядок
проведения работы:

Определить цену
деления шкалы измерительных приборов.
Составить
электрическую цепь по схеме, изображённой
на рисунке

После проверки
цепи преподавателем замкнуть ключ и,
пользуясь реостатом, установить силу
тока, соответствующую нескольким
делениям шкалы амперметра. Снять
показания вольтметра и амперметра.
Опыт повторить 2
раза, изменяя сопротивление цепи при
помощи реостата.
Результаты
измерений подставить в уравнение
.

И
решая систему уравнений определить r,
а затем :

где
r
— внутреннее
сопротивление цепи,

 —
электродвижущая
сила источника

№

опыта

сила
тока

I,
А

напряже-
ниеие на

внешнем

участке

U
, В

внутреннее
сопротивление цепи

r,
Ом

ЭДС,

После
завершения работы сделать вывод.

Контрольные
вопросы

Назвать основные
характеристики внутреннего участка
электрической цепи.
Какой
источник электрической энергии
использовался в ваших опытах? Укажите
какую природу имеют сторонние силы в
этом источнике?
Укажите
причины электрического сопротивления
металлического проводника.
Какова
причина электрического сопротивления
внутри источника, который использовался
в лабораторной работе?
Выполните
задания из варианта № ______ .

Анализ ситуаций с участием внешних сил

В предыдущей части Урока 2 обсуждалась взаимосвязь между работой и изменением энергии. Всякий раз, когда над объектом совершается работа внешней силой, будет происходить изменение полной механической энергии объекта. Если только внутренние силы совершают работу (работа внешних сил не совершается), полная механическая энергия не изменяется; полная механическая энергия, как говорят, сохраняется . Поскольку внешние силы способны изменять полную механическую энергию объекта, их иногда называют неконсервативными силами. Поскольку внутренние силы не изменяют полную механическую энергию объекта, их иногда называют консервативными силами. В этой части Урока 2 мы продолжим изучение количественной связи между работой и энергией.

Отношение работы к энергии

Количественная связь между работой и механической энергией выражается следующим уравнением:

Уравнение утверждает, что начальное количество полной механической энергии (TME _i ) плюс работа внешних сил (W _ext ) равно конечному количеству полной механической энергии (TME _f ). Следует сделать несколько замечаний по поводу приведенного выше уравнения. Во-первых, механическая энергия может быть либо потенциальной энергией (в этом случае она может быть связана с пружинами или гравитацией), либо кинетической энергией. Учитывая этот факт, приведенное выше уравнение можно переписать как

КЕ _и + ПЭ _и + Ш _доп = КЕ _ф + ПЭ _ф

Второе замечание, которое следует сделать по поводу приведенное выше уравнение состоит в том, что работа, совершаемая внешними силами, может быть положительным или отрицательным рабочим термином. Принимает ли рабочий член положительное или отрицательное значение, зависит от угла между силой и движением. Вспомним из Урока 1, что работа зависит от угла между векторами силы и смещения. Если угол равен 180 градусам, как это иногда бывает, то рабочий член будет отрицательным. Если угол равен 0 градусов, то рабочий член будет положительным.

Приведенное выше уравнение выражает количественную связь между работой и энергией. Это уравнение будет основой для остальной части этого модуля. Он сформирует основу концептуального аспекта нашего изучения работы и энергии, а также направляющей силы для нашего подхода к решению математических задач. Большой срез мира движения можно понять, используя эту взаимосвязь между работой и энергией.

Подъем штанги вертикально
Чтобы начать наше исследование взаимосвязи работы и энергии, мы исследуем ситуации, связанные с работой, выполняемой внешними силами (неконсервативными силами). Рассмотрим тяжелоатлета, который прикладывает направленную вверх силу (скажем, 1000 Н) к штанге, чтобы переместить ее вверх на заданное расстояние (скажем, 0,25 метра) с постоянной скоростью. Начальная энергия плюс работа, совершенная внешней силой, равна конечной энергии. Если штанга начинает с энергии 1500 Дж (это всего лишь вымышленное значение), а тяжелоатлет выполняет работу 250 Дж (F•d•косинус угла = 1000 Н•0,25 м•косинус 0 градусов = 250 Дж), то штанга закончит с механической энергией 1750 Дж. Окончательное количество механической энергии (1750 Дж) равно первоначальному количеству механической энергии (1500 Дж) плюс работа внешних сил (250 Дж).

Ловля бейсбольного мяча
Теперь рассмотрим ловца бейсбольных мячей, который применяет направленную вправо силу (скажем, 6000 Н) к движущемуся влево бейсбольному мячу, чтобы перевести его с высокой скорости в положение покоя на заданном расстоянии (скажем, 0,10 метра). Начальная энергия плюс работа, совершенная внешней силой, равна конечной энергии. Если мяч стартует с энергией 605 Дж (это еще одно выдуманное значение), а ловец выполняет работу -600 Дж (F•d•косинус угла = 6000 Н•0,10 м•косинус 180 градусов = -600 Дж ), то мяч закончит с механической энергией 5 Дж. Конечная энергия (5 Дж) равна начальной энергии (605 Дж) плюс работа внешних сил (-600 Дж).

Автомобиль, заносящий
Теперь рассмотрим автомобиль, который заносит с высокой скорости на более низкую. Сила трения между шинами и дорогой воздействует на движущуюся вправо машину на заданном расстоянии (скажем, 30 м) с силой, направленной влево (скажем, 8000 Н). Начальная энергия плюс работа, совершенная внешней силой, равна конечной энергии. Если автомобиль стартует с энергией 320 000 Дж (это еще одно выдуманное значение), а сила трения совершает работу -240 000 Дж (F•d•косинус угла = 8000 Н•30 м•косинус 180 градусов = -240 000 Дж), то автомобиль финиширует с механической энергией 80 000 Дж. Конечная энергия (80 000 Дж) равна начальной энергии (320 000 Дж) плюс работа внешних сил (-240 000 Дж).

Тянет тележку вверх по наклонной плоскости с постоянной скоростью
В качестве последнего примера рассмотрим тележку, которую студент тянет вверх по наклонной плоскости с постоянной скоростью во время лабораторной работы по физике. Сила, приложенная к тележке (скажем, 18 Н), направлена параллельно наклону, чтобы вызвать перемещение тележки параллельно наклону на заданное смещение (скажем, 0,7 м). Начальная энергия плюс работа, совершенная внешней силой, равна конечной энергии. Если тележка стартует с энергией 0 Дж (это еще одно выдуманное значение), а студент выполняет работу 12,6 Дж (F•d•косинус угла = 18 Н•0,7 м•косинус 0 градусов = 12,6 Дж), тогда тележка закончит с механической энергией 12,6 Дж. Конечная энергия (12,6 Дж) равна начальной энергии (0 Дж) плюс работа внешних сил (12,6 Дж).

В каждом из этих примеров внешняя сила действует на объект на заданном расстоянии, изменяя полную механическую энергию объекта. Если внешняя сила (или неконсервативная сила) совершает положительную работу, то объект приобретает механическую энергию. Количество полученной энергии равно работе, совершенной над объектом. Если внешняя сила (или неконсервативная сила) совершает отрицательную работу, то объект теряет механическую энергию. Количество потерянной механической энергии равно работе, совершенной над телом. В общем случае полная механическая энергия объекта в начальном состоянии (до совершения работы) плюс проделанная работа равняется полной механической энергии в конечном состоянии.

Ваша очередь попробовать
Представленное здесь соотношение работы и энергии можно комбинировать с выражениями для потенциальной и кинетической энергии для решения сложных задач. Как и все сложные проблемы, их можно сделать простыми , если сначала проанализировать их с концептуальной точки зрения и разбить на части. Другими словами, избегайте рассматривать проблемы работы и энергии как простые математические задачи. Вместо этого задействуйте свой разум и используйте свое понимание физических концепций, чтобы подойти к проблеме. Спросите: «Какие формы энергии присутствуют изначально и в конечном итоге?» и «Основываясь на уравнениях, сколько каждой формы энергии присутствует изначально и в конечном итоге?» и «Выполняется ли работа внешними силами?» Используйте этот подход к следующим трем практическим задачам. После решения нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

Мы хотели бы предложить …
Иногда недостаточно просто прочитать об этом. Вы должны взаимодействовать с ним! И это именно то, что вы делаете, когда используете один из интерактивов The Physics Classroom. Мы хотели бы предложить вам совместить чтение этой страницы с использованием нашего интерактива It’s All Uphill Interactive и/или интерактива Stopping Distance. Оба интерактива можно найти в разделе Physics Interactive на нашем веб-сайте, и они предоставляют интерактивную возможность исследовать значение взаимосвязи между работой и энергией.

Посетите: Все идет в гору | Тормозной путь

Практическая задача №1

Автомобиль массой 1000 кг, движущийся со скоростью 25 м/с, останавливается. Автомобиль испытывает силу трения 8000 Н. Определить тормозной путь автомобиля.

Практическая задача № 2

В конце поездки на американских горках «Ударная волна» состав автомобилей массой 6000 кг (включая пассажиров) замедляется со скорости 20 м/с до скорости 5 м. /с на расстоянии 20 метров. Определить тормозную силу, необходимую для замедления поезда на эту величину.

Практическая задача № 3

Магазинная тележка с продуктами стоит на вершине холма высотой 2,0 м. Тележка начинает катиться, пока не наткнется на пень у подножия холма. При ударе банка персиков массой 0,25 кг вылетает из тележки горизонтально и ударяется о припаркованный автомобиль со средней силой 500 Н. Насколько глубока вмятина на автомобиле (т. е. на каком расстоянии действует сила 500 Н? воздействовать на банку персиков, прежде чем остановить ее)?

Тормозной путь
Все три вышеупомянутые проблемы имеют одну общую черту: существует сила, которая совершает работу на расстоянии, чтобы отвести механическую энергию от объекта. Сила действует против движения объекта (угол между силой и смещением составляет 180 градусов) и, таким образом, совершает отрицательную работу. Отрицательная работа приводит к потере всего количества механической энергии объекта. В каждом случае работа связана с изменением кинетической энергии. И поскольку расстояние (d), на котором действует сила, связано с работой, а квадрат скорости (v^2) объекта связан с кинетической энергией, должна быть также прямая связь между тормозным путем и квадрат скорости. Обратите внимание на вывод ниже.

TME _i + W _доб = TME _f

КЭ _i + W _доб = 0 Дж

0,5•m•v _i ² + F•d•cos(Theta) = 0 Дж

0,5•m•v _i ² = F•d

в _и ² д

Приведенное выше уравнение описывает тормозной путь как зависящее от квадрата скорости . Это означает, что двукратное увеличение скорости приведет к четырехкратному (два в квадрате) увеличению тормозного пути. Трехкратное увеличение скорости приведет к девятикратному (три в квадрате) увеличению тормозного пути. А четырехкратное увеличение скорости приведет к шестнадцатикратному (четыре в квадрате) увеличению тормозного пути. Это еще один пример, в котором уравнение становится больше, чем просто алгебраическим рецептом решения задач. Уравнения также могут быть мощным руководством к размышлению о том, как две величины связаны друг с другом. В случае горизонтальной силы, останавливающей объект на некотором горизонтальном расстоянии, тормозной путь объекта связан с квадратом скорости объекта.

Проверьте свое понимание, предсказав значения тормозного пути в таблице ниже (и см. практические задания в конце этой страницы).

Скорость (м/с) Тормозной путь (м)

0 м/с 0

5 м/с 4 м

10 м/с

15 м/с

20 м/с

25 м/с

Вышеприведенный принцип, согласно которому тормозной путь пропорционален квадрату скорости, часто находится в центре внимания популярной физической лаборатории. Автомобиль Hot Wheels катится по наклонной плоскости на этаж ниже. Достигнув пола, он ударяется о коробку с компьютерной дискетой и останавливается из-за трения между системой «автомобиль / коробка» и полом. Время фотоворота используется для определения скорости автомобиля до того, как он ударит по коробке. Проводится несколько испытаний, и набор данных собирается и наносится на график. С увеличением скорости автомобиля тормозной путь увеличивается. Если данные нанесены на график, то видна четкая зависимость мощности. Если для набора данных выполняется степенная регрессия, результаты, как правило, показывают, что d = k•v ² где k — константа пропорциональности.

Примеры, упомянутые на этой странице, относятся к применению отношения работа-энергия к ситуациям, в которых участвуют внешние или неконсервативные силы, выполняющие работу. Совершенно иной результат получается в ситуациях, когда внешние силы не совершают никакой работы. Следующая часть Урока 2 включает анализ этих ситуаций.

Следующий раздел:

Работа внешних сил над системой равна изменению

Вопрос

Обновлено: 26.04.2023

HC VERMA-WORK AND ENERGY-Objective 1

10 видео

РЕКЛАМА

Текстовое решение

A

полная энергия

B

кинетическая энергия

C

потенциальная энергия

D

ни один из этих

Ответ 9000 5

Правильный ответ А

Ответить

Пошаговое решение от экспертов, которое поможет вам в разрешении сомнений и получении отличных оценок на экзаменах.

Ab Padhai каро бина объявления ке

Khareedo DN Pro и дехо сари видео бина киси объявление ки rukaavat ке!

Связанные видео

Отрицательная работа, совершаемая внутренними силами над системой, равна изменению iln

9519312

Работа всех сил (внешних и внутренних) над системой равна изменению

9519314

Работа, совершаемая консервативной силой над системой, равна:

11746629

Утверждение-1: Работа, совершаемая всеми силами над системой, равна изменению кинетической энергии этой системы. Это утверждение верно, даже если на систему действуют неконсервативные силы.
Утверждение −2: Суммарная работа внутренних сил может быть положительной.

14278763

Выберите правильные варианты – (1) ) Работа сил может быть равна изменению кинетической энергии (2) Работа сил может быть равна изменению потенциальной энергии (3) Работа сил силы могут быть равны изменению полной энергии (4) Работа, совершаемая силами, должна быть равна изменению потенциальной энергии.

14796777

Отрицательная работа консервативных внутренних сил над системой равна изменению: काय पर बाहृा बलों व्दारा किया गया कार्य बराबर ह ोता हैं

110486941

Отрицательная работа, совершаемая внутренними силами над системой, равна изменению

642594923

Работа всех сил (внешних и внутренних) над системой равна изменению

642594925

Работа всех сил (внешних и внутренних) на систему равна изменению

642674121

Работа всех сил (внешних и внутренних) на систему равна изменению

642715623

Отрицательная работа, совершаемая внутренними силами над системой, равна изменению iln

642749125

Работа всех сил (внешних и внутренних) над системой равна изменению

642845127

Текст Решение

Работа консервативной силы над системой равна:

644101441

भी संरक्षी बलों (आन्तरिक और बाहरी ) द्वारा किया गया कार्य निम्न के बराबर होता है —

644237693

Утверждение -1: Работа всех сил над системой равна изменению кинетической энергии этой системы.