Энергия

Батарея, растянутая пружина и тёплая вода накапливают энергию. Энергия может передаваться и накапливаться, но не создаваться и не уничтожаться. Данный раздел охватывает AQA GCSE Physics 8463, тема 4.1 Energy.

• Каждый экзаменационный лист содержит 100 баллов и длится 1 ч 45 мин; темы об энергии встречаются в обоих листах.
• AQA предоставляет Лист формул по физике. Проверьте приложение вашей серии материалов; практикуйте выбор и преобразование уравнений, а также перевод единиц измерения.
• Записывайте уравнение, подстановку значений и ответ с единицами измерения. Следуйте инструкциям по точности вопроса; баллы зависят от самого вопроса и критериев оценивания.

Система — это объект или группа объектов, которые вы решили рассматривать. Когда система изменяется, энергия перемещается между накопителями энергии. Накопители, которые необходимо знать:

Используйте требуемое название запаса, например, теплового, гравитационного потенциального или упругого потенциального. Схема за июнь 2024 допускает использование определённых символов в конкретных частях; это не правило, согласно которому каждый символ принимается в каждом вопросе на название.

Описание изменения

Энергия покидает один запас и поступает в другой. Назовите обе половины. Потренируйтесь в этих ситуациях, которые указаны в спецификации:

• Объект, брошенный вверх: кинетический запас уменьшается, а запас гравитационного потенциального поля системы объект–Земля увеличивается. При вертикальном броске скорость равна нулю в высшей точке.
• Движущийся объект, сталкивающийся с препятствием: кинетический запас исчерпывается; тепловые запасы объекта и препятствия увеличиваются; звук может уносить энергию.
• Объект, ускоряемый постоянной силой: исходный запас (например, химический запас батареи) уменьшается; работа передаёт энергию в кинетический запас транспортного средства. Электрическая работа является путём передачи, а не электрическим запасом.
• Транспортное средство, замедляющееся: кинетический запас опустошается; тепловой запас тормозов наполняется.
• Нагрев воды до кипения в электрическом чайнике: химическая энергия в топливе электростанции (или другого ресурса) переходит в тепловой запас воды.

В этом разделе рассчитываются изменения энергии, вызванные тремя процессами: при нагревании (температурная разность вызывает перенос), при совершении работы силами (сила перемещает объект) и при совершении работы током (электрическое устройство передаёт энергию). Электричество рассматривается в теме 4.2.

Диаграммы Санки

Диаграмма Санки показывает энергию на общей шкале. Ширина каждой стрелки пропорциональна энергии, которую она переносит. Левая стрелка — вход; она разделяется на полезный выход и бесполезные выходы.

• Общая ширина выхода всегда равна ширине входа. Энергия сохраняется.
• «Бесполезная» энергия не исчезает. Она запасается менее полезными способами, обычно тепловыми.

Направляемая практика: названия запасов энергии и её сохранение

Начало урока — написано учителем. Мотор передаёт 60 Дж за 3.0 с. Какова его мощность?

Разбор решения. Мощность — это скорость передачи энергии. Формула: $P=E/t$. Подстановка даёт $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. Это означает 20 джоулей в секунду; это не определяет КПД или полезный выход.

Перенос в экзамен — адаптировано из AQA, июнь 2024, Билет 1H, вопросы 01.1, 01.2 и 06.1. Назовите увеличивающийся запас энергии при нагревании воды, подъёме воды в резервуар и растяжении банджи-резинки. Попробуйте перед проверкой: тепловый/внутренний, гравитационный потенциальный, упругий потенциальный. Объясните каждый выбор через изменение температуры, высоты или удлинения. Электрическая работа может переносить энергию в эти системы, но электричество само по себе не является запасом энергии.

Написано учителем баланс мотора. Вход составляет 100 Дж, а полезная кинетическая энергия — 80 Дж. Весь остальной объём переходит в тепловые запасы. Вычислите этот остаток и нарисуйте пропорциональные стрелки Санкей перед проверкой диаграммы.

Разбор решения. Сохранение даёт $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. Подстановка даёт $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. Соотношение ширины входной/полезной/рассеянной стрелки на валу: 100:80:20 = 5:4:1. Энергия сохраняется; рассеянная часть менее полезна, но не уничтожается. Длина стрелок и размер их наконечников не отражают величину энергии.

Выберите уравнение для меняющегося запаса. Используйте массу в кг, скорость в м/с, удлинение и изменение высоты в м, а также указанную в задаче напряжённость гравитационного поля $g$ в Н/кг.

• $E_k$ кинетическая энергия в Дж; $m$ масса в кг; $v$ скорость в м/с.
• $E_e$ упругая потенциальная энергия в Дж; $k$ жесткость пружины в Н/м; $e$ удлинение в м.
• $E_p$ гравитационная потенциальная энергия в Дж; $h$ увеличение высоты в м; $g$ напряжённость гравитационного поля в Н/кг.

Два предупреждения, которые проверяют на экзамене:

• Удлинение — это изменение длины: растянутая длина минус исходная длина. «7.5 м удлинение» уже означает дополнительную длину.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ не должен превышать предел пропорциональности: ниже него удвоение удлинения увеличивает запасённую энергию в четыре раза.

Написано учителем практика — удлинение и единицы. Пропорциональная пружина имеет длину 10 см в нерастянутом состоянии и 22 см после растяжения, жёсткость равна $k=50$ Н/м. Найдите удлинение и запасённую энергию; предскажите эффект удвоения этого удлинения при условии сохранения пропорциональности пружины.

Разбор решения. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. Затем $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. Удвоение удлинения даёт $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

Написано учителем разобранное решение. Игрушечный самолёт массой 0.020 кг запускается горизонтально пропорциональной пружиной с жёсткостью $k = 50$ Н/м и удлинением $e = 0.12$ м. Пружина возвращается в исходную длину. Предположите отсутствие изменения высоты и превращение всей высвобождённой упругой энергии в кинетическую энергию самолёта. Найдите идеальную скорость запуска.

• Дано: данные пружины и масса. В момент запуска упругий запас полностью переходит в кинетический запас. Для максимальной скорости предположим, что весь он перешёл.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• Почему $E_k = E_e$: указанная идеальная модель исключает передачу энергии в другие запасы. В реальном запуске тепловые потери могут привести к меньшей кинетической энергии и более низкой скорости.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• Проверка: размерность м/с, потому что $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

Перенос в экзамен: две резинки и высота

Adapted from AQA June 2024 Paper 1H Q06.2–06.3. A 240 kg pod is released upwards by two cords behaving as springs, each with $k=735$ N/m and extension 8.0 m. Calculate the ideal height gain ($g=9.8$ N/kg), assuming all initial elastic energy becomes gravitational potential energy. Explain why the actual height is lower.

• Дано: два одинаковых троса, поэтому запасённая энергия удваивается.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• В этой идеальной модели вся начальная упругая энергия переходит в гравитационную потенциальную энергию в высшей точке, где вертикальная скорость равна нулю:
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• Сопротивление воздуха противодействует движению вверх. Часть начальной упругой энергии передаётся окружающей среде вместо увеличения гравитационной потенциальной энергии, поэтому фактический набор высоты меньше. Фраза «энергия теряется» сама по себе не объясняет передачу; энергия сохраняется.

Сохраняйте физическое допущение и каждый этап расчёта видимыми; распределение баллов зависит от конкретного вопроса.

Нагрев объекта увеличивает его тепловой запас. Необходимая энергия зависит от массы, материала и повышения температуры:

• $\Delta E$ изменение тепловой энергии в Дж; $m$ масса в кг; $\Delta\theta$ изменение температуры в °C.
• $c$ удельная теплоёмкость в Дж/(кг·°C): энергия, необходимая для повышения температуры одного килограмма вещества на один градус Цельсия.

Для одинаковых масс, получающих одинаковое количество тепловой энергии, материал с большей $c$ демонстрирует меньшее повышение температуры. У воды удельная теплоёмкость $c$ около 4200 Дж/(кг·°C); у меди — около 385 Дж/(кг·°C). Скорость нагрева ложки также зависит от её массы и теплопередачи через контакт; одна только удельная теплоёмкость не определяет скорость.

Teacher-written worked example. A 2.0 kg metal block gains 26 kJ (26 000 J) of thermal energy. The block's temperature rises from 22 °C to 50 °C. Find $c$.

• Дано: энергия, масса и температуры. В уравнение входит именно изменение температуры: $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• Проверка: деление Дж на (кг × °C) даёт Дж/(кг·°C).

Keep units consistent: 10.5 kJ must become 10 500 J; a time in minutes must become seconds; a mass in grams must become kg; a power in kW must become W. Write the conversion as its own line.

Перенос из экзамена: выражение для изменения температуры

Adapted from AQA June 2024 Paper 1H Q08.3. Air gains 0.0130 J; its mass is $2.60\times10^{-8}$ kg and $c=1.01$ kJ/kg °C. Find the temperature change before checking.

• Convert $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• Rearrange $\Delta E=mc\Delta\theta$ to $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• Это прирост, а не конечное значение; для нахождения конечной температуры также требуется начальная температура.

Обязательная практическая работа 1: удельная теплоёмкость

Вы должны знать это исследование наизусть — в экзамене от вас требуется описать или оценить его за столом.

Метод:

1. Измерьте массу $m$ металлического блока с помощью весов.
2. Налейте немного воды в отверстие для термометра для обеспечения хорошего теплового контакта, затем установите нагреватель и термометр.
3. Запишите начальную температуру. Включите источник питания.
4. Запишите силу тока $I$ и напряжение $V$, а также время $t$ работы нагревателя. Мощность нагревателя составляет $P = VI$ (указана в теме 4.2; в некоторых заданиях вам просто дают $P$).
5. Подведенная энергия равна $\Delta E = P t$.
6. Записывайте температуру через равные промежутки времени и вычисляйте подведённую энергию для каждого интервала. Постройте график зависимости температуры от подведённой энергии; начальный участок может быть кривым из-за теплового запаздывания.
7. Рассчитайте $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

Логика измерений:

• Изолируйте блок (обмотайте утеплителем), чтобы уменьшить передачу энергии в окружающую среду. Если часть подведённой энергии идёт на нагрев окружающей среды, использование всей подведённой энергии как прироста тепловой энергии блока приведёт к завышенному значению $c$.
• Дождитесь стабилизации показаний термометра перед снятием начальной температуры (для теплового контакта требуется время).
• Используйте линейный участок графика зависимости температуры от подведённой энергии после начального теплового запаздывания. В идеальной модели его наклон равен $1/(mc)$. Повторные измерения помогают оценить разброс данных, но не устраняют систематическую потерю тепла.
• Укажите, как ошибка влияет на измеренную энергию, массу или повышение температуры. Плохой контакт термометра сам по себе не определяет направление ошибки; заниженное значение повышения температуры приведёт к завышенному значению $c$ при неизменных энергии и массе.

Проверка ошибок RP1: сначала рассчитайте, затем сделайте вывод

Пример учителя. Блок массой 1.0 кг получил 6000 Дж и нагрелся на 12 °C. Вычислите его $c$. Студент зафиксировал повышение температуры лишь на 10 °C при той же энергии и массе. Рассчитайте полученную оценку и объясните направление ошибки.

Меньшее зафиксированное повышение даёт меньший знаменатель и завышенное значение $c$. Проанализируйте зафиксированное изменение температуры; не назначайте направление ошибки только на основании фразы «плохой контакт».

Два двигателя могут поднять одинаковую нагрузку на одну и ту же высоту. Тот, который делает это быстрее, обладает большей мощностью. Мощность — это скорость передачи энергии или скорость совершения работы:

• $P$ мощность в Вт; $E$ переданная энергия в Дж; $W$ совершенная работа в Дж; $t$ время в с.
• Передача энергии со скоростью 1 Дж в секунду соответствует мощности 1 ватт, Вт.

Переводы единиц, которые нужно знать наизусть: 1 кВт = 1000 Вт, 1 МВт = $10^6$ Вт, 1 ГВт = $10^9$ Вт, 1 кДж = 1000 Дж, 1 МДж = $10^6$ Дж.

Разобранный пример учителя. Спортсмен массой 60.0 кг поднимается на вертикальную высоту 175 см за 1.40 с ($g$ = 9.8 Н/кг). Найдите среднюю полезную мощность, связанную с увеличением гравитационной потенциальной энергии.

• Известно: масса, высота, время. Высоту необходимо перевести в метры: $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• Прирост её гравитационной потенциальной энергии равен полезному переданному энергетическому запасу.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• Мощность равна энергии, делённой на время в секундах.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• Проверьте: это скорость увеличения гравитационной потенциальной энергии, а не полный объём передачи химической энергии. Нагрев и другие процессы означают, что передано больше химической энергии, чем полезно использовано.

Энергопередача, указанная в расчёте на секунду, уже является мощностью: получение 0.343 Дж гравитационной потенциальной энергии каждую секунду соответствует 0.343 Вт полезной мощности. Значение, выраженное в расчёте на секунду, автоматически не означает полезный выход; внимательно читайте, какая именно энергопередача описана.

Сравнение мощностей и перенос из экзамена

Практическое задание учителя. Двигатели A и B поднимают груз массой 20 кг на высоту 2.0 м ($g=10$ Н/кг). Двигатель A работает 2.0 с, двигатель B — 4.0 с. Найдите их выходные полезные мощности до проверки.

A передаёт ту же полезную энергию за вдвое меньшее время: в два раза больше полезной мощности. Сравнивать КПД без входных данных невозможно.

Адаптировано из AQA June 2024 Paper 1H Q02.2–02.3. Электростанция имеет выходную мощность 500 МВт. Найдите её энергетический выход за 3600 с в джоулях. Здесь $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$, а $P=E/t$ преобразуется в $E=Pt$.

Проверка единиц: ватты умножить на секунды равно джоулям. Только выходная мощность не определяет КПД.

Энергия может быть полезна, накапливаться или рассеиваться, но не создаваться и не уничтожаться. Рассеянная энергия сохраняется менее полезными способами. Её часто называют «потерянной», но она всё ещё существует — обычно распределяется по тепловым запасам окружающей среды.

• Для данного баланса энергии замкнутая система не обменивается энергией с окружающей средой, поэтому её полная энергия не изменяется. Назовите объекты, входящие в систему: гравитационный потенциальный энергетический запас принадлежит взаимодействию объекта и Земли, а не только шара. Идеальное падение с пренебрежимо малым сопротивлением переводит гравитационный потенциальный энергетический запас в кинетическую энергию; вакуум сам по себе не определяет границу системы.

Отслеживайте энергию при падении и ударе

Модель, написанная учителем. Включите шар, Землю, пол и близкое окружение. Предположите, что ни одна энергия не пересекает границу этой системы, и пренебрегайте сопротивлением воздуха во время падения. Шар начинает движение из состояния покоя со значением гравитационного потенциального энергетического запаса 20 Дж относительно пола. Когда этот запас составляет 5 Дж, какова кинетическая энергия? После удара и остановки, где находится энергия?

Сумма каждой строки равна 20 Дж. После удара энергия распределяется по тепловым запасам в данной упрощённой модели; звук может переносить энергию внутри выбранного окружения до её рассеивания. Подсчёт только шара представляет другую систему, которая может обмениваться энергией с Землёй и полом. Энергия, покинувшая один объект, не исчезает.

Объяснение результата «ниже рассчитанного»

Экзаменаторы любят такой тип вопросов: «реальная высота/скорость/температура ниже вашего ответа. Объясните почему». Ожидаемое обоснование:

1. Назвать причину: сопротивление воздуха, трение между движущимися частями или передача энергии в окружающую среду за счёт нагрева.
2. Указать следствие: часть энергии из входного запаса рассеивается в тепловые запасы вместо целевого запаса.
3. Сделать вывод: значит, в полезный запас поступает меньше энергии.

Снижение нежелательных переносов энергии

• Смазка уменьшает трение между движущимися частями, поэтому меньше энергии рассеивается при нагреве.
• Тепловая изоляция снижает передачу энергии за счёт нагрева. Толстые стены, стены из материала с низкой теплопроводностью или полые конструкции замедляют остывание здания.

Сравнивайте один фактор за раз. При одинаковой площади стены, толщине и разности температур более высокая теплопроводность обеспечивает более быстрый теплообмен проводимостью. При том же материале и других условиях большая толщина стены снижает эту скорость. Если и толщина, и теплопроводность изменяются в противоположных направлениях, их описания сами по себе не устанавливают рейтинг.

Обязательная практика 2 (только физика): теплоизоляторы

Исследуйте эффективность различных материалов в качестве теплоизоляторов:

1. Налейте фиксированный объём горячей воды в колбу с крышкой.
2. Оберните колбу одним из материалов (пупырчатая плёнка, газета, фольга, вата).
3. Записывайте температуру по мере её снижения в течение фиксированного времени (или время, за которое температура упадёт на заданную величину).
4. Повторите для одинаковых измеренных толщин и закрытых площадей различных материалов; одинаковое количество слоёв не обязательно означает одинаковую толщину.
5. Часть 2: повторите опыт для разных толщин (слоёв) одного материала.

Контролируемые переменные: одинаковый объём воды, начальная температура, колба, крышка, окружающая среда, закрытая площадь и время измерения. Повторите для оценки вариаций. Меньшее падение температуры за фиксированное время указывает на меньшее охлаждение при данных условиях. Держите материал неизменным при исследовании толщины; держите толщину неизменной при сравнении материалов.

RP2: интерпретация зафиксированных показаний

The figure uses the AQA practical handbook, PDF page 12. Points are recorded values joined by lines, not a fitted cooling law. In 15 min, the zero-layer run changes from 85 to 57 °C, two layers from 86 to 62 °C, and six layers from 86 to 66 °C. Calculate the falls before checking.

Шесть слоёв охлаждаются на 4 °C меньше, чем два слоя, за то же время, начиная с той же начальной температуры. Это подтверждает меньшее охлаждение при большей толщине газет здесь. Запуск с нулевым слоем начинается на 1 °C холоднее. Вычитание начальных температур не устраняет все эффекты неравных начальных условий; стандартизируйте их в новом исследовании. Эти запуски сравнивают толщину, а не разные материалы.

Teacher-written evaluation. Water in a beaker covered with 20 mm of cotton starts at 90 °C and finishes at 75 °C after 10 min. Water in a beaker covered with 2 mm of foil starts at 80 °C and finishes at 70 °C. Which material is the better insulator? Explain the limits and improve the method before checking.

Обоснование. Хлопок снижает температуру на $90-75=15$ °C; фольга — на $80-70=10$ °C. Материал, толщина и начальная температура различаются, поэтому ни конечные показания, ни величина снижения температуры не изолируют влияние материала. Используйте одинаковую измеренную толщину и закрытую площадь, одну начальную температуру, объём воды, оборудование и условия окружающей среды; фиксируйте данные в одно и то же время и проводите повторные измерения. Делайте вывод для проверенных условий, учитывая вариативность.

Доля входной энергии, которая используется по назначению, называется КПД:

• КПД может выражаться десятичной дробью (0 до 1) или процентами (0 % до 100 %). В экзамене могут требовать любой из вариантов; десятичная дробь выше 1 или процент выше 100 % невозможны — проверяйте ответ на соответствие этому ограничению.
• Процент потерь = $= 100\,\% -$ − процент полезной энергии.

Teacher-written worked example. A lamp takes 4.0 W of electrical power and is 0.85 efficient for useful light transfer. Find its useful light power and the remaining power.

• Дано: полная входная мощность и КПД в виде десятичной дроби. Преобразуйте формулу перед подстановкой значений.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• Оставшаяся часть составляет $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. Выходы суммируются с входом; энергия не исчезает. КПД — это безразмерное отношение.

Exam transfer — adapted from AQA June 2024 Paper 1H Q01.3. Method A heats water by 80 °C, storing 33 600 kJ per 100 kg, and wastes 40%; installation is possible anywhere in the question. Method B pumps water uphill by 500 m, storing 490 kJ per 100 kg, wastes 25%, and requires high mountains. Compare useful fractions, useful energy and practical constraints before checking.

• Полезный процент = $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

Method B has useful fraction $f_B=1-0.25=0.75$ and useful energy $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. It is more efficient than A (75% versus 60%), but A provides much more useful energy per 100 kg (20 160 kJ versus 367.5 kJ). Explain both quantities, the stated location restriction and the need to insulate heated water. Use numerical evidence alongside the stated constraints.

КПД: сравнение четко определенного полезного преобразования

Teacher-written. Lifting devices A and B each take 2000 W of electrical input. Their useful mechanical outputs are 1700 W and 1500 W. Find both efficiencies and their difference in percentage points.

Разница составляет $85\%-75\%=10$ процентных пункта. Устройство A передает большую долю на полезное поднятие; единицы измерения отношения сокращаются. Не путайте разницу в процентных пунктах с относительным процентным изменением.

Higher Tier reasoning. Lubrication reduces frictional dissipation in a lifting motor; insulation reduces unwanted thermal transfer from hot-water storage. At fixed input, reduced unwanted transfers can leave more useful output and a greater efficiency. At fixed useful output, $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$, so greater efficiency means less required input. “Useful” depends on the intended task: heating is useful for warming a room and may be unwanted in a lifting motor.

Основные источники энергии — ископаемое топливо (уголь, нефть, газ), ядерное топливо, биотопливо, ветер, гидроэнергетика, геотермальная энергия, приливы, Солнце и водные волны.

Возобновляемый ресурс восстанавливается по мере использования. Ископаемое и ядерное топливо являются невозобновляемыми в человеческом масштабе времени. Восстановление, доступность в нужный момент и воздействие на окружающую среду — это разные вопросы. Возобновляемость не означает непрерывности или безопасности. Сравните применение в транспорте, производстве электроэнергии и отоплении. Описание генерирующего оборудования здесь не требуется.

Ресурсы топлива: применение и компромиссы

• Уголь, нефть и газ: производство электроэнергии или отопление; нефтепродукты широко используются в транспорте. Генерация зависит от поставок топлива и технического обслуживания. Сжигание выделяет углекислый газ; сера в топливе может образовывать диоксид серы, способствуя образованию кислотных дождей.
• Ядерное топливо: производство электроэнергии с использованием исчерпаемого запаса. Техническое обслуживание и остановки влияют на доступность. Во время генерации нет выбросов CO$_2$ от сгорания топлива, однако радиоактивные отходы требуют безопасного обращения.
• Биотопливо: транспорт, отопление или электроснабжение. Его биологическое сырьё можно возобновить, но производство требует земли и времени. При сжигании выделяется CO$_2$. Повторный рост может поглощать CO$_2$, однако общий баланс также зависит от выращивания, переработки и изменения использования земель; углеродная нейтральность не является автоматической.

Шесть других возобновляемых ресурсов

Ветряные турбины могут влиять на дикую природу и создавать шум; солнечным установкам нужны пространство и материалы. Водохранилища затапливают земли и изменяют речные местообитания. Геотермальное развитие требует локального бурения. Установки для приливов и волн могут влиять на морские местообитания и дороги в строительстве и обслуживании. Различайте экологические последствия, технические ограничения и экономические затраты. Утверждения об отсутствии выбросов от сгорания топлива во время работы не означают нулевого воздействия на протяжении всего жизненного цикла (производство, строительство, утилизация).

Разобранный пример: фактическое время работы

AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q02.5 приводит данные одной атомной станции, вырабатывающей энергию в течение 92% от года из 365 дней. При $f$ доле генерации:

Около 336 дней (в схеме ответов к этому вопросу принимаются значения 335 или 336). Станция не работала весь год; не обобщайте её процентную долю на все станции. Эта доля времени сама по себе не даёт ни объёма выработанной электроэнергии, ни КПД.

Интерпретация тренда: попробуйте, затем проверьте

Составленные учителем вымышленные данные, где каждый итог складывается только из двух категорий:

ТВт·ч — единица энергии. Найдите каждый итог и долю ископаемого топлива. Снизилось ли количество энергии из ископаемого топлива?

Проверка:

Доля снизилась на 20 процентных пунктов, но объём энергии из ископаемого топлива вырос на 10 ТВт·ч. Снижение доли само по себе не означает снижения выбросов.

Принятие решения на основе доказательств

Задание учителя: клиника нужна электроэнергия всю ночь. Солнечные панели не вырабатывают энергию ночью; работающий газовый генератор может функционировать при наличии топлива. Выработка солнечной энергии не включает CO$_2$ от сгорания топлива; сжигание газа выделяет CO$_2$. Объясните компромисс, предложите возможный источник питания и определите недостающие доказательства.

Проверка: одних солнечных панелей недостаточно для покрытия ночной потребности. Система с зарядкой накопителей или другим резервом может работать, если мощность и запасённая энергия покрывают спрос. Газ может обеспечивать питание ночью при наличии топлива и обслуживания, но выделяет CO$_2$. Перед выбором проверьте спрос, ёмкость накопителя, условия зарядки, поставку топлива, стоимость и состояние участка. Финансирование — это экономическое ограничение; доступ к надёжной медицинской помощи — социальный вопрос. Правила планирования — политические ограничения, а справедливое распределение затрат и выгод поднимает этические вопросы. Наука выявляет и измеряет проблемы; решения также зависят от этих ограничений. Заключение должно следовать из доказательств и заявленных приоритетов; шаблонная финальная фраза не гарантирует баллы.

Извлечение памяти 1: сопоставление уравнений

Составлено учителем: двигатель потребляет 5.0 Дж за 2.0 с. Он запускает тележку массой 0.50 кг с места на горизонтальном пути. Тележка приобретает 4.0 Дж кинетической энергии; остаток нагревает систему и окружающую среду. Найдите конечную скорость, КПД для разгона тележки, среднюю входную мощность и оставшийся перенос энергии. Попробуйте решить перед проверкой.

Проверка: поскольку начальная скорость равна нулю, конечная кинетическая энергия составляет 4.0 Дж.

Эти 1.0 Дж передаются через нагрев. Энергия сохраняется.

Извлечение 2: анализ трёх утверждений

1. RP1: всё входное тепло нагревателя используется как прирост энергии блока, хотя часть тепла идёт на обогрев комнаты. При фиксированных массе и измеренном повышении температуры, что происходит с рассчитанной удельной теплоёмкостью?
2. RP2: изменяются оба слоя изоляции и объём воды. Почему вывод о слоях ненадёжен? Укажите контролируемые переменные.
3. Солнечные панели называют надёжным источником энергии ночью, потому что солнечная энергия возобновляема. В чём ошибка и какое дополнительное оборудование необходимо?

Проверка:

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. Использование большего значения входной мощности приводит к завышению $c$ в данном случае.
2. Две изменённые переменные искажают результат. Сохраните постоянными объём, контейнер, начальную температуру, интервалы времени и условия окружающей среды; повторите измерения и сравните падение температуры за одинаковый промежуток времени.
3. Восполнение запаса не гарантирует наличие питания в нужный момент. Ночью необходима достаточная ёмкость накопителя или другой источник энергии.

Используйте требуемые термины, приводите уравнения и единицы измерения, а также следуйте инструкции по точности вопроса. Причина и её физическое следствие полезнее, чем заученный список.

Распространенные ошибки

• Подстановка растянутой длины в $E_e = \tfrac12 ke^2$. Используйте удлинение $e$ = растянутая длина − исходная длина, в метрах.
• Забывание возведения скорости в квадрат в $E_k = \tfrac12 mv^2$. Удвоение скорости увеличивает кинетическую энергию в четыре раза.
• Использование граммов в $\Delta E = mc\Delta\theta$ или минут в $P = E/t$. Сначала переведите в кг и с.
• Указание КПТ выше 100% (или 1). Полезный выход никогда не может превышать полный вход; если это происходит, числа перепутаны местами.
• Утверждение, что энергия «расходуется» или «теряется». Она рассеивается: передаётся в менее полезные запасы, обычно тепловому запасу окружающей среды, а общая величина остаётся неизменной.
• Называем возобновляемый ресурс надёжным. Ветровая и солнечная энергия являются возобновляемыми, но их выработка зависит от погоды и времени суток.