Энергия позволяет решать задачи, в которых трудно или невозможно использовать законы Ньютона: движение по кривой траектории, по горке неизвестной формы, под действием переменной силы. Не нужно разбираться, как именно тело двигалось: достаточно сравнить два состояния, начальное и конечное.
Где встречается в ЕГЭ. Работа, мощность, энергия и закон сохранения энергии входят в линию законов сохранения: расчётная задача в задании №3. В заданиях №5 и №6 нужно анализировать превращения энергии и читать графики. Законы сохранения также используются в расчётных заданиях №22 и №26, в №26 их применимость нужно ещё и обосновать.
Чему ты научишься
- считать работу и мощность силы, определять знак работы и находить работу по графику;
- находить кинетическую и потенциальную энергию (в поле тяжести и пружины) и применять теорему о кинетической энергии;
- понимать, когда механическая энергия сохраняется, и записывать закон сохранения;
- находить работу силы трения через изменение механической энергии.
Работа силы

Рис. 1. Работу совершает только составляющая силы вдоль перемещения: .
| Угол | Работа | Пример |
|---|---|---|
| сила тяги, сила тяжести при падении | ||
| реакция опоры при движении по горизонтали, центростремительная сила | ||
| сила трения, сила тяжести при подъёме |
Работа силы тяжести не зависит от формы траектории, а определяется только изменением высоты: . Сила тяжести и сила упругости — консервативные силы, сила трения — нет: её работа зависит от пути.
Работа по графику
Если сила меняется, работа равна площади под графиком зависимости проекции силы на перемещение от пути (площадь выше оси берут со знаком «плюс», ниже — «минус»).

Рис. 2. Работа равна площади фигуры под графиком: прямоугольник Дж плюс треугольник Дж, итого Дж.
Работа силы упругости пружины считается так же: сила растёт линейно от 0 до , площадь треугольника , то есть по модулю .
Мощность и КПД
Мощность показывает, как быстро совершается работа. Вторая запись удобна, когда известна скорость: при движении по прямой в направлении силы . КПД механизма:
Кинетическая энергия
Кинетическая энергия — скаляр, она не может быть отрицательной. Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей (то есть сумма работ всех сил) равна изменению кинетической энергии. Это второй закон Ньютона, записанный через работу.
Потенциальная энергия
Высота отсчитывается от выбранного нулевого уровня. От выбора уровня зависит сама энергия, но не её изменение: , и именно оно входит во все законы. Потенциальная энергия пружины не зависит от знака деформации: сжатая и растянутая на одну длину пружины обладают равной энергией.

Рис. 3. Парабола для и для энергии пружины, прямая для в поле тяжести. Для пружины наклон на графике зависит от жёсткости: .
Закон сохранения механической энергии
Полная механическая энергия тела (системы): .
Алгоритм
- Выбери два состояния (начальное и конечное) и нулевой уровень потенциальной энергии.
- Проверь, есть ли силы, совершающие работу, кроме тяжести и упругости. Реакция опоры и натяжение нити, перпендикулярные перемещению, работы не совершают.
- Запиши в обоих состояниях и приравняй (или добавь ).
- Реши уравнение. Массу часто можно сократить.

Рис. 4. При подъёме убывает, растёт, а сумма остаётся постоянной (сопротивлением воздуха пренебрегаем). Высота подъёма: , , м.
Падение тела
Тело падает с высоты м без начальной скорости. На земле (): , м/с.
Горка без трения
Санки съезжают с гладкой горки высотой 5 м. Скорость внизу м/с. Форма горки не важна: значение имеет только разность высот.
Пружина
Шарик массой кг выталкивается пружиной жёсткостью Н/м, сжатой на м, по гладкой горизонтали. Энергия пружины целиком переходит в кинетическую: , м/с.
Есть трение
Санки массой 20 кг съехали с горки высотой 5 м, у подножия скорость 8 м/с. Работа силы трения: Дж. Знак «минус» показывает, что механическая энергия перешла в тепло.
Разбор заданий в формате ЕГЭ
Задание типа №3. Мяч массой 0,5 кг брошен вертикально вверх со скоростью 10 м/с. Какова кинетическая энергия мяча на высоте 3 м? Сопротивлением воздуха пренебречь.
Решение: Дж, Дж, Дж. Ответ: 10.
Задание типа №3 (работа). Сила 20 Н действует на тело под углом к направлению перемещения 4 м. Найдите работу силы.
Решение: Дж. Ответ: 40.
№5, выбор верных утверждений. Мяч бросили вертикально вверх, сопротивлением воздуха можно пренебречь. Выберите все верные утверждения для движения мяча вверх.
- В верхней точке траектории кинетическая энергия мяча равна нулю.
- Полная механическая энергия мяча при подъёме уменьшается.
- Потенциальная энергия мяча при подъёме увеличивается.
- Работа силы тяжести при подъёме мяча положительна.
- Сумма кинетической и потенциальной энергии мяча остаётся постоянной.
Разбор. Верны 1, 3 и 5. Утверждение 2 неверно: трения нет, механическая энергия сохраняется. Утверждение 4 неверно: сила тяжести направлена против перемещения, её работа отрицательна (). Ответ: 135.
№6, изменение величин. Брусок равномерно скользит вниз по шероховатой наклонной плоскости. Как изменяются при этом его кинетическая энергия и потенциальная энергия? 1) увеличивается; 2) уменьшается; 3) не изменяется.
Разбор. Скорость постоянна, значит не изменяется. Высота уменьшается, значит уменьшается. Полная механическая энергия уменьшается из-за работы силы трения. Ответ: 32.
Типичные ошибки
| Ошибка | Как правильно |
|---|---|
| Считают работу всегда положительной | знак зависит от угла: у силы трения , у силы тяжести при подъёме |
| Берут при силе под углом к перемещению | нужен множитель ; при работа равна нулю |
| Считают, что | : скорость вдвое больше ⇒ энергия в 4 раза больше |
| Применяют закон сохранения при наличии трения | с трением |
| Забывают выбрать нулевой уровень | сначала задай уровень, потом считай в обоих состояниях |
| Берут в пружины деформацию в см или забывают квадрат | , длину переводят в метры |
| Путают мощность и работу, Вт и Дж | ; ватт — это джоуль в секунду |
Шпаргалка
| Что найти | Формула | Комментарий |
|---|---|---|
| Работа силы | Дж; по графику — площадь | |
| Мощность | Вт | |
| КПД | ||
| Кинетическая энергия | скаляр, | |
| Теорема о кинетической энергии | ||
| Потенциальная энергия в поле тяжести | от нулевого уровня | |
| Потенциальная энергия пружины | в метрах | |
| Работа силы тяжести | не зависит от пути | |
| Закон сохранения энергии | без трения | |
| Изменение механической энергии | с трением |
Задачи для самопроверки
- Груз массой 2 кг равномерно поднимают на высоту 5 м за 10 с. Найдите работу силы, поднимающей груз, и её мощность.
- Кинетическая энергия тела массой 3 кг при скорости 4 м/с. Во сколько раз она изменится, если скорость увеличить до 8 м/с?
- Камень массой 0,2 кг брошен вертикально вверх со скоростью 10 м/с. Найдите максимальную высоту подъёма и скорость камня на высоте 3,2 м. Сопротивлением пренебречь.
- Шарик массой 0,5 кг выталкивается пружиной жёсткостью 200 Н/м, сжатой на 10 см, по гладкой горизонтальной поверхности. Найдите скорость шарика.
- Санки массой 20 кг съехали с горки высотой 5 м, у подножия скорость 8 м/с. Найдите работу силы трения.