Номер 3, страница 148 - гдз по физике 7 класс учебник Исаченкова, Громыко

3. Как изменить потенциальную энергию тела (системы тел)?

Потенциальная энергия — это энергия, которой обладает тело или система тел вследствие их взаимного расположения или конфигурации. Чтобы изменить потенциальную энергию, необходимо совершить работу по изменению этого расположения. Изменение потенциальной энергии ($\Delta E_p$) равно работе, совершённой внешними силами против консервативных сил (таких как сила тяжести или сила упругости): $\Delta E_p = A_{внеш}$. Рассмотрим основные виды потенциальной энергии и способы их изменения.

Изменение гравитационной потенциальной энергии

Гравитационная потенциальная энергия — это энергия взаимодействия тела с гравитационным полем (например, полем Земли). Для тела массой $m$, поднятого на высоту $h$ над условным нулевым уровнем, она определяется формулой $E_p = mgh$, где $g$ — ускорение свободного падения.

Следовательно, изменить гравитационную потенциальную энергию можно следующими способами:

• Изменить высоту ($h$) тела. Это основной способ. Поднимая тело, мы совершаем работу против силы тяжести, и его потенциальная энергия увеличивается. Опуская тело, мы позволяем силе тяжести совершать работу, и потенциальная энергия уменьшается. Например, чтобы поднять книгу со стола на полку, нужно совершить работу, которая перейдет в прирост её потенциальной энергии.
• Изменить массу ($m$) тела или системы. Если изменить массу объекта, находящегося на определённой высоте, его потенциальная энергия также изменится. Например, если налить воду в резервуар, расположенный на водонапорной башне, общая потенциальная энергия системы увеличится.
• Переместить тело в область с другим значением ускорения свободного падения ($g$). Например, потенциальная энергия тела на высоте 1 м на Луне (где $g \approx 1.6 \text{ м/с}^2$) будет значительно меньше, чем на Земле (где $g \approx 9.8 \text{ м/с}^2$).

Ответ: Чтобы изменить гравитационную потенциальную энергию тела, нужно изменить его высоту относительно нулевого уровня, его массу или переместить его в область с другой силой тяжести. Наиболее распространенный способ — совершить работу по изменению высоты тела.

Изменение потенциальной энергии упругой деформации

Потенциальная энергия упругой деформации — это энергия, запасённая в упругом теле (например, пружине) при его деформации (растяжении или сжатии). Она определяется формулой $E_p = \frac{kx^2}{2}$, где $k$ — жёсткость пружины, а $x$ — её удлинение или сжатие от положения равновесия.

Изменить эту энергию можно следующими способами:

• Изменить величину деформации ($x$). Растягивая или сжимая пружину, мы совершаем работу против силы упругости. Эта работа запасается в пружине в виде потенциальной энергии. Чем больше деформация, тем больше запасённая энергия. Например, натягивая тетиву лука, мы увеличиваем её потенциальную энергию.
• Изменить жёсткость ($k$) деформируемого тела. Если при той же деформации $x$ заменить пружину на более жёсткую (с большим коэффициентом $k$), то запасённая потенциальная энергия будет больше.

Ответ: Чтобы изменить потенциальную энергию упруго деформированного тела, нужно изменить степень его деформации (растянуть/сжать) или заменить тело на другое, с иной жёсткостью.

Изменение электростатической потенциальной энергии

Электростатическая потенциальная энергия — это энергия взаимодействия электрических зарядов. Для системы из двух точечных зарядов $q_1$ и $q_2$, находящихся на расстоянии $r$ друг от друга, она определяется формулой $E_p = k \frac{q_1 q_2}{r}$, где $k$ — коэффициент пропорциональности в законе Кулона.

Изменить эту энергию можно следующими способами:

• Изменить расстояние ($r$) между зарядами. При совершении работы по сближению или удалению зарядов их потенциальная энергия изменяется. Например, при сближении одноимённых зарядов (которые отталкиваются) их потенциальная энергия увеличивается, а при сближении разноимённых (которые притягиваются) — уменьшается (становится более отрицательной).
• Изменить величину зарядов ($q_1$, $q_2$). Изменение величины одного или обоих зарядов приведёт к изменению энергии их взаимодействия.

Ответ: Чтобы изменить электростатическую потенциальную энергию системы зарядов, нужно изменить расстояние между ними или величину самих зарядов.

Таким образом, в общем случае, чтобы изменить потенциальную энергию системы, необходимо совершить работу, которая изменит взаимное положение или конфигурацию взаимодействующих тел (или частей тела). Эта работа идёт на преодоление консервативных сил (силы тяжести, силы упругости, электростатической силы) и равна изменению потенциальной энергии системы.