LastUpDate 2017/10/03
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エネルギー

エネルギーとは

仕事をする能力のことをエネルギーという。仕事と同じくエネルギーの単位もJ(ジュール)である。
ある物体が他の物体に対して仕事ができる状態にある場合、その物体はエネルギーを持っているという。

力学的エネルギー

位置エネルギー

高いところにある物体は、落とすことによって下にある物体に対して仕事をすることができる。
つまり、高いところにある物体はエネルギーを持っているといえる。このエネルギーを位置エネルギーという。
くい 高いところから物体を落とすと
下にある「くい」を打ち込める=仕事ができる

位置エネルギーとは
高いところにある物体の持つエネルギー
位置エネルギー(J)=重力(N)×高さ(m)

運動エネルギー

運動している物体はぶつかることで他の物体に対して仕事をすることができる。
つまり運動している物体はエネルギーを持っているといえる。このエネルギーを運動エネルギーという。
くい
運動エネルギーとは
運動している物体の持つエネルギー
運動エネルギー (J)= 1 2 ×質量(kg)×速さ(m/s)×速さ(m/s)

力学的エネルギー保存の法則

高いところから物体を落として、他に対して仕事をしなければ物体は位置を失うかわりに速さを得る。 つまり位置エネルギーが運動エネルギーに変わる。
このとき、摩擦や空気の抵抗がなければ位置エネルギーと運動エネルギーの和は常に一定に保たれる。位置エネルギーと運動エネルギーの和を力学的エネルギーとよび、それが一定に保たれることを力学的エネルギーの保存の法則という。
この位置から自由落下すると はじめは速さ0 高さが低くなり 速さが出る さらに高さが低くなると 速さが速くなる 力学的エネルギー保存の法則 
摩擦や空気の抵抗がない場合、位置エネルギーと運動エネルギーの和は一定に保たれる。


高さ10mの位置から重さ8Nの物体を自由落下させた場合
はじめは高さ10mなので位置エネルギー=10m×8N=80J、速さ0なので運動エネルギー0
よって力学的エネルギー80J
落下によって位置が低くなると位置エネルギーが小さくなり、その分が運動エネルギーに変わる。
高さ6mまで落下したとき、位置エネルギー=6m×8N=48J、運動エネルギー=80J-48J=32J
0mまで落下すると位置エネルギーが0になるので80Jすべてが運動エネルギーとなる。
4m 6m 8m 10m 2m 0m 位置エネルギー 運動エネルギー 重さ8N 80J 0J 48J 32J 0J 80J 80J 80J 80J 力学的エネルギー

いろいろなエネルギー

エネルギーの種類

エネルギーには運動エネルギーや位置エネルギーの他にもいろいろな種類がある。
電気エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、音エネルギー、化学エネルギー、弾性エネルギー、核エネルギーなど

エネルギーの変換

エネルギーは装置などを使うことで互いに変換できる。
手回し発電機・・・運動エネルギー⇒電気エネルギー
スピーカー・・・電気エネルギー⇒音エネルギー
太陽電池・・・光エネルギー⇒電気エネルギー
エタノールなどの燃焼・・・化学エネルギー⇒熱エネルギー
電池・・・化学エネルギー⇒電気エネルギー
光合成・・・光エネルギー⇒化学エネルギー

エネルギー保存の法則

エネルギーは様々な形に移り変わるが、その総和は常に一定である。

エネルギー変換効率

エネルギーを変換するときに、もとのエネルギーから目的のエネルギーにすべて変換できるわけではなく、一部は別のエネルギーになってしまう。
ふり子の運動では空気の抵抗や摩擦などにより力学的エネルギーが熱エネルギーなどに変わってしまうのでふりこがもとの高さまでもどらず最終的には止まってしまう。
照明器具では投入した電気エネルギーの大半は熱エネルギーに変わってしまい、光エネルギーとして取り出せるのはごく一部である。
このようにもとのエネルギーから目的のエネルギーに何%変換できるかをエネルギーの変換効率という。

熱の伝わり方

熱の伝わり方には3つある。熱伝導 対流 熱放射である。

熱伝導(伝導)

熱伝導は温度のことなる物体が接しているとき、温度の高い方から低い方へ熱が伝わる現象である。
物体の温度が高い状態とは、物体の分子(原子)の運動エネルギーが大きい状態のことである。
高温の物体の粒子が、それと接している低温の物体の粒子に衝突して、衝突された粒子の運動が激しくなり
温度が上がる。これが熱伝導によって熱が伝わる現象である。

対流

場所によって温度がことなる液体や気体が流動して熱が運ばれる現象が対流である。
液体や気体で場所によって温度がことなると、温度の高い部分は密度が低いので上に移動し、温度が低い部分は下に移動する。

熱放射(放射)

高温の物体が光や赤外線を出して空間をへだてて離れたところまで熱が伝わる現象を熱放射という。
高温の物体は光や赤外線を出している。この光や赤外線はエネルギーを持っているので、それがあたった物体はエネルギーを受け取って温度が上昇する。太陽の光があたると暖かくなるのはこの例である。

エネルギー 練習問題

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