Лабораторная работа № 13, страница 153, часть 2 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 9. Простые механизмы. «золотое правило» механики. Параграф 87. Лабораторные и исследовательские работы. Лабораторные работы - страница 153.

Условие.

Лабораторная работа № 13

Определение коэффициента полезного действия наклонной плоскости

Цель работы

Определить КПД наклонной плоскости, убедиться на опыте в том, что полезная работа, выполненная с помощью простого механизма (наклонной плоскости), меньше полной (затраченной).

Оборудование и материалы

Доска, динамометр, измерительная линейка, брусок, штатив, транспортир из школьного набора.

Ход работы

• С помощью динамометра определите вес $\text{P}$ бруска.

• Закрепите доску в лапке штатива в наклонном положении под углом $30^\circ$.

• Положите брусок на доску, прикрепив к нему динамометр. С помощью динамометра перемещайте брусок с постоянной скоростью вверх по наклонной доске. Измерьте силу тяги $\text{F}$.

• С помощью линейки измерьте путь $\text{s}$, который проделал брусок, и высоту $\text{h}$, на которую он был поднят.

• Вычислите полезную работу по формуле $A_\text{п} = Ph$, а также затраченную работу по формуле $A_\text{з} = Fs$.

• Определите КПД наклонной плоскости по формуле $\eta = \frac{A_\text{п}}{A_\text{з}} \cdot 100 \, \%.$

• Результат измерений и вычислений запишите в таблицу в своей тетради.

P, H	F, H	h, м	s, м	$

• Результат измерений и вычислений запишите в таблицу в своей тетради.

P, H	F, H	h, м	s, м	$A_\text{п}$, Дж$	$A_\text{з}$, Дж$	$\eta$, %

• Закрепите доску в лапке штатива в наклонном положении под углом $45^\circ$.

• Проведите необходимые измерения и вычислите полезную и затраченную работу указанным выше способом. Вычислите КПД наклонной плоскости при угле $45^\circ$.

• Результат измерений и вычислений запишите в таблицу в своей тетради.

• Сравните КПД наклонных плоскостей с разными углами наклона.

• Сделайте вывод.

Решение.

Цель работы

Определить КПД наклонной плоскости, убедиться на опыте в том, что полезная работа, выполненная с помощью простого механизма (наклонной плоскости), меньше полной (затраченной).

Оборудование и материалы

Доска, динамометр, измерительная линейка, брусок, штатив, транспортир из школьного набора.

Ход работы

Поскольку данная работа является лабораторной и требует проведения реальных измерений, для ее решения будут использованы гипотетические, но физически правдоподобные данные, которые могли бы быть получены в ходе эксперимента.

1. С помощью динамометра определите вес P бруска.

Подвесим брусок к крючку динамометра и дождемся, когда он будет находиться в состоянии покоя. Зафиксируем показание силы, которое и будет являться весом бруска $\text{P}$.

Предположим, измерение дало результат: $P = 1.5$ Н.

2. Закрепите доску в лапке штатива в наклонном положении под углом 30°. Проведите измерения и вычисления.

Устанавливаем наклонную плоскость под углом $\alpha_1 = 30°$ к горизонтальной поверхности. Кладем брусок на плоскость и, зацепив его динамометром, тянем равномерно вверх вдоль плоскости. Измеряем силу тяги $F_1$. Затем измеряем длину пути $\text{s}$, который прошел брусок, и высоту $h_1$, на которую он поднялся.

Дано:

Угол наклона $\alpha_1 = 30°$
Вес бруска $P = 1.5$ Н
Сила тяги $F_1 = 1.0$ Н
Пройденный путь $s = 50$ см

Перевод в систему СИ:
$s = 50 \text{ см} = 0.5 \text{ м}$

Найти:

$h_1, A_{п1}, A_{з1}, \eta_1$

Решение:

Высота подъема $h_1$ вычисляется по формуле: $h_1 = s \cdot \sin(\alpha_1)$.
$h_1 = 0.5 \text{ м} \cdot \sin(30°) = 0.5 \text{ м} \cdot 0.5 = 0.25 \text{ м}$.

Полезная работа $A_{п1}$, совершенная при подъеме бруска на высоту $h_1$, равна:
$A_{п1} = P \cdot h_1 = 1.5 \text{ Н} \cdot 0.25 \text{ м} = 0.375 \text{ Дж}$.

Затраченная работа $A_{з1}$ (полная работа), совершенная силой тяги $F_1$ на пути $\text{s}$, равна:
$A_{з1} = F_1 \cdot s = 1.0 \text{ Н} \cdot 0.5 \text{ м} = 0.5 \text{ Дж}$.

Коэффициент полезного действия (КПД) $\eta_1$ наклонной плоскости определяется как отношение полезной работы к затраченной:
$\eta_1 = \frac{A_{п1}}{A_{з1}} \cdot 100\% = \frac{0.375 \text{ Дж}}{0.5 \text{ Дж}} \cdot 100\% = 75\%$.

Ответ: Полезная работа $A_{п1} = 0.375$ Дж, затраченная работа $A_{з1} = 0.5$ Дж, КПД $\eta_1 = 75\%$.

3. Закрепите доску в лапке штатива в наклонном положении под углом 45°. Проведите необходимые измерения и вычисления.

Изменяем угол наклона плоскости на $\alpha_2 = 45°$ и повторяем эксперимент, измеряя новую силу тяги $F_2$. Длину пути $\text{s}$ оставим прежней.

Дано:

Угол наклона $\alpha_2 = 45°$
Вес бруска $P = 1.5$ Н
Сила тяги $F_2 = 1.3$ Н
Пройденный путь $s = 50$ см

Перевод в систему СИ:
$s = 50 \text{ см} = 0.5 \text{ м}$

Найти:

$h_2, A_{п2}, A_{з2}, \eta_2$

Решение:

Высота подъема $h_2$ при новом угле наклона:
$h_2 = s \cdot \sin(\alpha_2) = 0.5 \text{ м} \cdot \sin(45°) = 0.5 \text{ м} \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} \approx 0.5 \text{ м} \cdot 0.707 \approx 0.354 \text{ м}$.

Полезная работа $A_{п2}$:
$A_{п2} = P \cdot h_2 = 1.5 \text{ Н} \cdot 0.354 \text{ м} \approx 0.531 \text{ Дж}$.

Затраченная работа $A_{з2}$:
$A_{з2} = F_2 \cdot s = 1.3 \text{ Н} \cdot 0.5 \text{ м} = 0.65 \text{ Дж}$.

Коэффициент полезного действия $\eta_2$:
$\eta_2 = \frac{A_{п2}}{A_{з2}} \cdot 100\% = \frac{0.531 \text{ Дж}}{0.65 \text{ Дж}} \cdot 100\% \approx 81.7\%$.

Ответ: Полезная работа $A_{п2} \approx 0.531$ Дж, затраченная работа $A_{з2} = 0.65$ Дж, КПД $\eta_2 \approx 81.7\%$.

4. Результат измерений и вычислений запишите в таблицу.

Угол наклона, °	P, Н	F, Н	h, м	s, м	Ап, Дж	Аз, Дж	η, %
30	1.5	1.0	0.250	0.5	0.375	0.500	75.0
45	1.5	1.3	0.354	0.5	0.531	0.650	81.7

5. Сравните КПД наклонных плоскостей с разными углами наклона.

Сравнивая полученные значения КПД, видим, что КПД наклонной плоскости при угле 45° ($\eta_2 \approx 81.7\%$) больше, чем КПД при угле 30° ($\eta_1 = 75\%$).

6. Сделайте вывод.

В ходе выполнения лабораторной работы был определен коэффициент полезного действия наклонной плоскости для двух разных углов наклона. На основании проведенных экспериментов и расчетов можно сделать следующие выводы:
1. Полезная работа ($A_п$) во всех случаях оказалась меньше полной (затраченной) работы ($A_з$). Это подтверждает, что любой простой механизм не дает выигрыша в работе, а лишь преобразует ее, при этом часть работы всегда теряется на преодоление сил трения.
2. КПД наклонной плоскости всегда меньше 100%, так как существуют неизбежные потери энергии на трение.
3. С увеличением угла наклона плоскости (с 30° до 45°) ее КПД увеличился. Это можно объяснить тем, что при увеличении угла наклона уменьшается сила нормального давления бруска на плоскость, что приводит к уменьшению силы трения. Хотя для подъема тела по более крутой плоскости требуется большая сила тяги, отношение полезной работы к затраченной возрастает.