Віртуальна лабораторна робота № 3. Дослідження закону збереження механічної енергії

Тема: Дослідження закону збереження механічної енергії за допомогою стовпчастої діаграми.

Мета: дослідити перетворення потенціальної енергії в кінетичну і навпаки під час руху тіла під дією сили тяжіння, перевірити збереження повної механічної енергії за відсутності тертя та з’ясувати вплив сили тертя за стовпчастою діаграмою.

Обладнання: комп’ютер або смартфон, симуляція PhET «Енергія на треку для скейта» (Energy Skate Park).

Віртуальна симуляція

🔗 Відкрити симуляцію «Енергія на треку для скейта» (PhET)

Ознайомлення із симуляцією

Відкрий симуляцію та знайди стовпчасту діаграму енергій.
Запусти рух тіла по траєкторії та спостерігай зміну висоти та швидкості.
Зверни увагу на співвідношення потенціальної, кінетичної та повної енергій.

Хід роботи

Завдання 1. Перетворення енергій без урахування тертя

Умова досліду: тертя вимкнене. Тіло рухається по траєкторії під дією сили тяжіння.

Запусти тіло з максимальної висоти.
Спостерігай значення потенціальної та кінетичної енергій у верхній і нижній точках траєкторії.
Порівняй повну механічну енергію в різних положеннях тіла.

Таблиця 1. Значення енергій без тертя

№ спостереження	Потенціальна енергія, Дж	Кінетична енергія, Дж	Повна енергія, Дж
1 (верхня точка)			3000
2 (середина спуску)			3000
3 (найнижча точка)			3000

Зроби висновок, чи зберігається повна механічна енергія за відсутності тертя:
За відсутності сили тертя повна механічна енергія замкненої системи зберігається незмінною ( $E = E_{\text{п}} + E_{\text{к}} = \text{const}$ ). Потенціальна енергія під час спуску повністю переходить у кінетичну, а під час підйому — навпаки.

Завдання 2. Вплив тертя на механічну енергію

Увімкни тертя та повтори спостереження для тих самих положень тіла.

Таблиця 2. Значення енергій за наявності тертя

№ спостереження	Потенціальна енергія, Дж	Кінетична енергія, Дж	Повна механічна енергія, Дж
1 (початок руху)			3000
2 (після 1-го коливання)			2200
3 (після кількох коливань)			1800

Зроби висновок: як змінюється повна механічна енергія за наявності тертя?
За наявності тертя повна механічна енергія поступово зменшується, оскільки частина її перетворюється на внутрішню (теплову) енергію тіла і поверхні треку.

Завдання 3. Аналіз стовпчастої діаграми енергій

Порівняй вигляд стовпчастих діаграм енергій для випадків без тертя і з тертям.

Таблиця 3. Порівняння стовпчастих діаграм

№ досліду	Умови руху	Особливості діаграми
1	Без тертя	Загальна висота стовпчика повної енергії ( $E$ ) залишається строго сталою; стовпчики кінетичної та потенціальної енергій періодично змінюють висоту у протифазі; стовпчик теплової енергії дорівнює нулю.
2	З урахуванням тертя	З’являється і безперервно зростає червоний стовпчик теплової енергії (Thermal); максимальна висота стовпчиків $E_{\text{п}}$ і $E_{\text{к}}$ з кожним коливанням зменшується.
3	Зупинка тіла на дні треку	Стовпчики потенціальної та кінетичної енергій дорівнюють нулю, а вся початкова механічна енергія системи повністю перейшла у стовпчик теплової енергії.

Зроби висновок:
Стовпчаста діаграма підтверджує закон збереження енергії: загальна енергія замкненої системи зберігається; зменшення механічної енергії за наявності сили тертя точно компенсується зростанням теплової енергії.