Работа и энергия, 7–9 класс: примеры с решением

Работа и энергия: что такое механическая работа, как связаны работа силы и энергия тела, чем отличаются кинетическая и потенциальная энергия. Ниже формулы, разбор задачи и частые ошибки.

10 заданий7–9 класс
Физика7 класс6 заданийЗакон Гука

Один конец проволоки жестко закреплен. С какой силой нужно тянуть за второй конец, чтобы растянуть проволоку на 5 мм? Жесткость проволоки известна и равна…

Физика10 классМощность, равновесие твёрдого тела, механическая энергия (конспект параграфа)

Сделай краткий конспект (по тексту учебника, с. 54–59).

Физика9 класс8 заданийНормальное и тангенциальное ускорение

Частица из состояния покоя начала двигаться по дуге окружности радиуса 1 м с постоянным угловым ускорением 2 с⁻². Отношение нормального ускорения к…

Физика9 класс4 заданияНормальное и тангенциальное ускорение

Частица из состояния покоя начала двигаться по дуге окружности радиуса 1 м с постоянным угловым ускорением 2 с⁻². Отношение нормального ускорения к…

Физика7 класс4 заданияКинетическая энергия

Найти с какой скоростью летит пуля массой 10г, если ее кинетическая энергия 32кДж.

Физика10 классКинетическая энергия вращательного движения

Диск массой m = 5 кг вращается с частотой n₁ = 5 об/с. Определить работу A, которую надо совершить, чтобы частота вращения диска увеличилась до n₂ = 10 об/с…

Физика9 класс5 заданийЗаконы Ньютона, движение связанных тел

Если в установке, изображённой на рисунке, первоначально покоящуюся тележку толкнуть влево, то она движется с ускорением 3 м/с². Если же тележку толкнуть…

Физика9 класс5 заданийМощность при равномерном подъеме

Подъемный кран, мощность двигателя которого 15 кВт, равномерно поднимает груз со скоростью 1,5 м/с. Определить массу груза.

Физика7 класс2 заданияДействие магнитного поля на проводник с током

Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова (словосочетания) из приведённого списка. При необходимости изменяйте слова (словосочетания) в списке по…

Физика7 классКПД механизма

Определите КПД механизма выброса семени. Ответ выразите в процентах, округлите до целых.

Что такое механическая работа

Работа в физике совершается, когда сила двигает тело. Если сила есть, а тело стоит на месте, работа равна нулю. Сколько ни толкай стену, механической работы ты не совершишь.

Формула для случая, когда сила направлена вдоль движения: A = F × s, где F — сила в ньютонах, s — путь в метрах. Работа измеряется в джоулях (Дж). 1 Дж — это работа силы 1 Н на пути 1 м.

Если сила направлена под углом α к перемещению, работа считается так: A = F × s × cos α. Когда сила перпендикулярна движению, cos 90° = 0 и работа нулевая. Поэтому сила тяжести не совершает работу, когда шайба скользит по горизонтальному льду. Если сила направлена против движения, работа отрицательная. Так бывает у силы трения, о которой подробнее в теме силы в механике.

Энергия тела и работа: кинетическая и потенциальная энергия

Энергия показывает, какую работу тело может совершить. Работа и энергия связаны напрямую: когда сила совершает работу над телом, энергия тела меняется на столько же.

В механике два основных вида энергии:

  • Кинетическая энергия — энергия движения: Eк = mv² / 2. Скорость стоит в квадрате, поэтому при удвоении скорости энергия растёт в 4 раза.
  • Потенциальная энергия тела над землёй: Eп = mgh. Здесь h — высота над выбранным нулевым уровнем, g ≈ 10 Н/кг (в школьных задачах чаще берут 10, иногда 9,8).

Связь работы и изменения энергии: A = Eк2 − Eк1. Именно так решают задачу про диск, которому надо раскрутить вращение быстрее: работа равна разности кинетических энергий в конце и в начале. Работа силы тяжести при падении равна mgh, то есть убыли потенциальной энергии.

Мощность показывает, как быстро совершается работа: P = A / t, единица — ватт (Вт). При равномерном движении удобна другая формула: P = F × v. По ней решаются задачи про кран, поднимающий груз, и про танк на подъёме.

Если трения и сопротивления воздуха нет, полная механическая энергия Eк + Eп не меняется. Это закон сохранения энергии. КПД механизма считают как отношение полезной работы к затраченной: КПД = Aполезная / Aзатраченная × 100%.

Внутренняя энергия и работа, теплота

Внутренняя энергия тела — это сумма кинетической энергии движения его частиц и потенциальной энергии их взаимодействия. Она зависит от температуры: чем тело горячее, тем она больше. Подробнее о частицах — в темах строение вещества и тепловые явления.

Изменить внутреннюю энергию можно двумя способами:

  • совершить работу: если трёшь ладони или бьёшь молотком по гвоздю, тело нагревается; если газ расширяется и толкает поршень, он совершает работу и остывает;
  • передать теплоту (теплопередача): нагреть тело на огне или в горячей воде, при этом работа не совершается.

Количество теплоты Q, как и работа, измеряется в джоулях. Для газов обе величины объединяет первый закон термодинамики: ΔU = A + Q, где A — работа, совершённая над газом. Если газ сам совершает работу, A в этой записи отрицательна. При постоянном давлении работа газа находится по формуле A = p × ΔV. Дальше эту тему разбирают в разделе термодинамика.

Разбор задачи: кинетическая энергия при падении

Условие. Тело массой 300 г брошено вертикально вниз со скоростью 6 м/с с высоты 5 м. Найти кинетическую энергию тела в момент падения на землю. Сопротивлением воздуха пренебречь.

Шаг 1. Переводим в СИ. m = 300 г = 0,3 кг. Остальные величины уже в метрах и метрах в секунду.

Шаг 2. Выбираем способ. Сопротивления нет, значит, работает закон сохранения энергии. Кинетическая энергия у земли равна начальной кинетической энергии плюс убыль потенциальной: Eк = mv² / 2 + mgh.

Шаг 3. Считаем по частям.

  • mv² / 2 = 0,3 × 6² / 2 = 0,3 × 36 / 2 = 5,4 Дж;
  • mgh = 0,3 × 10 × 5 = 15 Дж.

Шаг 4. Складываем. Eк = 5,4 + 15 = 20,4 Дж.

Ответ: 20,4 Дж. Проверка: при броске без начальной скорости ответ был бы 15 Дж, а раз тело ещё и брошено вниз, энергия должна получиться больше. Так и вышло.

Где ошибаются чаще всего

  • Не переводят единицы. Пуля 10 г — это 0,01 кг, мячик 200 г — 0,2 кг, танк 15 т — 15 000 кг, 50 см — 0,5 м, 30 км/ч — примерно 8,3 м/с. Объём 120 см³ — это 0,00012 м³, и только после этого можно искать массу по плотности: m = ρV.
  • Забывают половину или квадрат в Eк = mv² / 2. Чтобы найти скорость, делят 2Eк на m и извлекают корень.
  • Считают работу там, где сила перпендикулярна движению. Сила тяжести при горизонтальном перемещении работы не совершает, а вес груза в руках у неподвижного человека тоже ничего не «выполняет».
  • Путают знак силы и потенциальной энергии в задачах с графиками. Сила связана с изменением потенциальной энергии: F = −ΔEп / Δx. Где график Eп(x) убывает, проекция силы положительна, где растёт — отрицательна, а в точках минимума и максимума сила равна нулю.
  • Путают работу и мощность. Джоули — это работа и энергия, ватты — мощность. Если по условию дано время, скорее всего, нужна мощность.

Какие задания по теме присылают ученики

Чаще всего это формулы Eк = mv² / 2 и Eп = mgh с подстановкой данных, работа силы тяги, мощность крана, танка или поезда на подъёме, а также задачи, где массу сначала нужно найти по плотности и объёму (масса и плотность). Реже встречаются КПД, закон сохранения энергии и вопросы с графиками потенциальной энергии.

Найди в списке выше задание, похожее на твоё, и посмотри ход решения: какие величины переводили в СИ и какую формулу выбирали. Если похожего нет, сфотографируй своё условие и получи решение с пояснением каждого шага.

Частые вопросы

Чем отличается работа от энергии?

Работа описывает процесс: сила действует на тело на каком-то пути. Энергия описывает состояние тела: сколько работы оно может совершить. Измеряются обе величины в джоулях, а работа равна изменению энергии.

Как найти работу силы, если известна кинетическая энергия?

Работа равна изменению кинетической энергии: A = Eк2 − Eк1. Если тело разгонялось из состояния покоя, то A = mv² / 2.

Как связаны внутренняя энергия и работа?

Внутреннюю энергию тела можно увеличить, совершив над ним работу, например потерев ладони или сжав газ. Если же тело само совершает работу, как расширяющийся газ, его внутренняя энергия уменьшается, если не поступает теплота.

В каких единицах измеряются работа, энергия и мощность?

Работа и энергия измеряются в джоулях (Дж), мощность — в ваттах (Вт). 1 Вт равен 1 Дж работы за 1 секунду.

Работа и энергия, 7–9 класс: примеры с решением | ДЗмэн