Il existe deux formes principales d'énergie: l'énergie cinétique et l'énergie potentielle. L'énergie cinétique Parfois, la cinétique et l'énergie potentielle associée aux processus mécaniques d'un objet macroscopique sont appelés collectivement énergie mécanique C'est une loi fondamentale de physique que l'énergie totale dans un système fermé est conservée. C'est ce qu'on appelle la loi de conservation de l'énergie Pour simplifier les calculs dans de nombreux problèmes de physique d'introduction, il on suppose souvent que le frottement et les autres forces dissipatives sont négligeables, ce qui entraîne la conservation séparée de l'énergie mécanique totale d'un système fermé. L'énergie mécanique peut être convertie en énergie thermique et autres types d'énergie en présence de frottement, et il peut être difficile d'obtenir une énergie thermique pour la reconvertir en énergie mécanique (et impossible de la faire entièrement.) C'est pourquoi l'énergie mécanique est souvent considérée comme une quantité conservée distincte, mais, encore une fois, ce n'est que conservé en l'absence de frottement. L'unité SI pour l'énergie est le joule (J) où 1 joule \u003d 1 newton × 1 mètre. L'énergie potentielle est énergie due à un objet ou à une particule Elle est parfois décrite comme de l'énergie stockée, mais ce n'est pas tout à fait exact car l'énergie cinétique peut également être considérée comme de l'énergie stockée car elle est toujours contenue dans l'objet en mouvement. Les principaux types d'énergie potentielle sont: Énergie potentielle élastique Dans le cas d'une masse suspendue à un ressort qui est ensuite étirée et relâchée, la masse oscillera de haut en bas en tant qu'énergie potentielle élastique devient énergie cinétique, puis est retransformée au potentiel et ainsi de suite (avec une partie de l'énergie mécanique transformée en formes non mécaniques en raison du frottement.) L'équation de l'énergie potentielle stockée dans un ressort est donnée par: Où k L'énergie potentielle gravitationnelle L'énergie potentielle gravitationnelle pour un objet de masse m Où g Semblable à l'énergie potentielle gravitationnelle, l'énergie potentielle électrique La formule de l'énergie électrique potentielle est d'une charge ponctuelle q Où k Vous connaissez probablement le terme tension Potentiel chimique l'énergie Énergie potentielle nucléaire Le célèbre L'équation E \u003d mc 2 décrit la quantité d'énergie, E L'énergie cinétique est l'énergie du mouvement. Alors qu'un objet à énergie potentielle a le potentiel de se déplacer, un objet à énergie cinétique est en mouvement. Les principaux types d'énergie cinétique sont: Énergie cinétique mécanique Astuces Pour un objet tombant à échéance à la gravité, la conservation de l'énergie mécanique nous permet de déterminer sa vitesse à mesure qu'elle chute sans utiliser les équations standard d'accélération constante du mouvement. Déterminez simplement l'énergie mécanique totale avant que l'objet ne commence à tomber ( mgh L'énergie thermique La température est une mesure de l'énergie cinétique de translation moyenne par molécule. L'énergie thermique d'un gaz monatomique idéal est donnée par la formule: Où N En surface, cela peut être compris comme le même genre de chose que l'énergie cinétique mécanique est. C’est le résultat d’objets (des molécules dans ce cas) se déplaçant physiquement à une certaine vitesse. Mais ce mouvement se produit à l'échelle microscopique dans un objet plus grand, il est donc logique de le traiter différemment - en particulier parce qu'il est impossible de tenir compte du mouvement de chaque molécule distincte à l'intérieur de quelque chose! Notez également qu'il n'est pas logique de confondre cela avec l'énergie cinétique mécanique, car cette énergie n'est pas si simplement transformée en énergie potentielle de la même manière que l'énergie cinétique d'une balle lancée dans l'air. L'énergie des vagues Alors que les points du médium oscillent en place, la perturbation elle-même se déplace d'un endroit à un autre. Il s'agit d'une forme d'énergie cinétique car elle est le résultat d'un mouvement de matériau physique. L'énergie associée à une onde est généralement directement proportionnelle au carré de l'amplitude de l'onde. La relation exacte, cependant, dépend du type d'onde et du milieu à travers lequel elle se déplace. Un type d'onde est une onde sonore, qui est une onde longitudinale. C'est-à-dire qu'elle résulte de compressions (régions dans lesquelles le milieu est comprimé) et de raréfactions (régions dans lesquelles le milieu est moins comprimé) dans, le plus souvent, de l'air ou un autre matériau. Énergie rayonnante Notez que le photon n'a pas de masse, nous ne pouvons donc pas simplement utiliser l'équation de l'énergie cinétique mécanique pour déterminer l'énergie cinétique associée. Au lieu de cela, l'énergie associée au rayonnement électromagnétique est donnée par E \u003d hf, où f Énergie électrique Le total l'énergie d'un système fermé est conservée. C'est-à-dire que le montant total, sous toutes les formes, reste constant même s'il est transféré entre des objets dans le système ou change de forme ou de type. Un excellent exemple de cela est ce qui arrive à la cinétique, au potentiel et au total l'énergie d'une balle lancée en l'air. Supposons qu'une balle de 0,5 kg soit lancée vers le haut à partir du niveau du sol à une vitesse initiale de 20 m /s. Nous pouvons utiliser les équations cinématiques suivantes pour déterminer la hauteur et la vitesse de la balle à chaque seconde de son déplacement: Si nous approchons g (Insérer un tableau) Maintenant, regardons-le du point de vue énergétique. Pour chaque seconde de voyage, nous pouvons calculer l'énergie potentielle en utilisant mgh (Insérer une table) Comme vous pouvez le voir, au début de son chemin, toute l'énergie de la balle est cinétique. À mesure qu'il monte, sa vitesse diminue et sa hauteur augmente, et l'énergie cinétique est transformée en énergie potentielle. Quand il est à son point culminant, toute la cinétique initiale s'est transformée en potentiel, puis le processus s'inverse lui-même en retombant. Pendant tout le trajet, l'énergie totale est restée constante. Si notre exemple avait inclus le frottement ou d'autres forces dissipatives, alors, alors que l'énergie totale serait toujours conservée, l'énergie mécanique totale ne le serait pas. L'énergie mécanique totale équivaudrait à la différence entre l'énergie totale et l'énergie transformée en d'autres types, comme l'énergie thermique ou sonore.
est l'énergie de mouvement d'un objet ou d'une particule, et l'énergie potentielle
est l'énergie associée à la position d'un objet ou d'une particule.
et excluent les formes d'énergie associées aux processus thermiques, chimiques et atomiques.
. Autrement dit, alors que l'énergie peut changer de forme ou se transférer d'un objet à un autre, la quantité totale restera toujours constante dans un système parfaitement isolé de son environnement.
Types d'énergie potentielle
, qui est de l'énergie sous forme de déformation d'un objet tel qu'un ressort. Lorsque vous comprimez ou étirez un ressort au-delà de sa position d'équilibre (au repos), il aura une énergie potentielle élastique. Lorsque ce ressort est libéré, cette énergie potentielle élastique se transformera en énergie cinétique.
PE_ {spring} \u003d \\ frac {1} {2} k \\ Delta x ^ 2
est la constante du ressort et Δx est le déplacement par rapport à l'équilibre.
est l'énergie due à la position d'un objet dans un champ gravitationnel. Lorsqu'un objet dans un tel champ est libéré, il accélère et cette énergie potentielle se transforme en énergie cinétique.
près de la surface de la Terre est donnée par:
PE_ {grav} \u003d mgh
est la constante gravitationnelle 9,8 m /s 2, et h
est la hauteur au-dessus du niveau du sol.
est le résultat de la position d'objets chargés dans un champ électrique. S'ils sont libérés dans ce champ, ils accéléreront le long des lignes de champ comme le fait une masse tombante, et leur énergie électrique potentielle se transformera en énergie cinétique.
une distance r
de la charge ponctuelle Q
est donnée par:
PE_ {elec, \\ text {} poiny \\ text {} charge} \u003d \\ frac { kqQ} {r}
est la constante de Coulomb 8,99 × 10 9 Nm 2 /C 2.
, qui fait référence à une quantité appelée potentiel électrique
. L'énergie potentielle électrique d'une charge q
peut être trouvée à partir du potentiel électrique (tension, V
) par ce qui suit:
PE_q \u003d qV
est l'énergie stockée dans les liaisons chimiques et les arrangements des atomes. Cette énergie peut être transformée sous d'autres formes lors de réactions chimiques. Un incendie en est un exemple: au fur et à mesure qu'il brûle, l'énergie potentielle des liaisons chimiques du matériau en combustion se transforme en chaleur et en énergie radiante. Lorsque vous mangez de la nourriture, les processus de votre corps convertissent l'énergie chimique en énergie dont votre corps a besoin pour rester en vie et accomplir toutes les tâches de base de la vie.
est l'énergie dans un noyau atomique . Lorsque les nucléons (protons et neutrons) à l'intérieur d'un noyau se réorganisent en se combinant, en se séparant ou en changeant de l'un à l'autre (soit par fusion, fission ou désintégration), l'énergie potentielle nucléaire est transformée ou libérée.
, libérée au cours de ces processus en termes de masse m
et de vitesse de la lumière c
. Les noyaux peuvent se retrouver avec une masse totale plus faible après désintégration ou fusion, et cette différence de masse se traduit directement par la quantité d'énergie potentielle nucléaire qui est convertie en d'autres formes, telles que radiante et thermique.
Types d'énergie cinétique
, qui est l'énergie cinétique d'un objet macroscopique de masse m
se déplaçant avec la vitesse v
. Il est donné par la formule:
KE_ {mech} \u003d \\ frac {1} {2} mv ^ 2
), puis à quelque hauteur que ce soit, la différence d'énergie potentielle doit être égale à 1 /2mv 2. Une fois que vous connaissez l'énergie cinétique, vous pouvez résoudre v
.
, également appelée énergie thermique, est le résultat de la molécules dans une substance vibrante. Plus les molécules se déplacent rapidement, plus l'énergie thermique est élevée et plus l'objet est chaud. Plus le mouvement est lent, plus l'objet est froid. Dans la limite où tout mouvement s'arrête, la température de l'objet est de 0 absolu en unités de Kelvin.
E_ {thermal} \u003d \\ frac {3} {2} Nk_BT
est le nombre d'atomes, T
est la température en Kelvin, et k B
est la constante de Boltzmann 1,381 × 10 -23 J /K.
et le son
forment un type supplémentaire d'énergie cinétique, qui est l'énergie associée au mouvement des vagues. Avec une onde, une perturbation parcourt un milieu. Tout point de ce milieu oscillera en place au fur et à mesure que l'onde passera - soit aligné avec la direction du mouvement (une onde longitudinale
) soit perpendiculaire à celle-ci (une onde transversale
), tels comme on le voit avec une onde sur une corde.
est lié à l'énergie des vagues, mais ce n'est pas tout à fait la même chose. Il s'agit d'énergie sous forme de rayonnement électromagnétique. Vous connaissez peut-être mieux la lumière visible, mais cette énergie est disponible dans des types que nous ne pouvons pas voir également, tels que les ondes radio, les micro-ondes, les infrarouges, les ultraviolets, les rayons X et les rayons gamma. C'est l'énergie transportée par les photons - particules de lumière. On dit que les photons présentent une dualité particule /onde, ce qui signifie qu'ils agissent à la fois comme une onde et une particule. . Pour cette raison, il peut voyager à travers le vide de l'espace. Tout le rayonnement électromagnétique se déplace à la vitesse de la lumière (la vitesse la plus rapide de l'univers!) Dans le vide.
est la fréquence et h
est la constante de Planck 6,626 × 10 -34 Js.
: L'énergie cinétique associée à une charge en mouvement est la même énergie cinétique mécanique 1 /2mv 2; cependant, une charge en mouvement génère également un champ magnétique. Ce champ magnétique, tout comme un champ gravitationnel ou électrique, a la capacité de transmettre de l'énergie potentielle à tout ce qui peut le «sentir» - comme un aimant ou une autre charge en mouvement.
Transformations énergétiques
v_f \u003d v_i + at \u003d 20 \\ text {m /s} -gt \\\\ y_f \u003d y_i + v_it + \\ frac {1} {2} à ^ 2 \u003d (20 \\ text {m /s}) t- \\ frac {g} {2} t ^ 2
comme 10 m /s 2, nous obtenons les résultats indiqués dans le tableau suivant:
et l'énergie cinétique en utilisant 1 /2mv 2. L'énergie totale est la somme des deux. En ajoutant des colonnes à notre table pour l'énergie potentielle, cinétique et totale, nous obtenons:
