План выполнения работы, страница 53 - гдз по физике 7 класс тетрадь для лабораторных работ Филонович, Петрова

ПЛАН ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Нарисуйте схему наклонной плоскости с расположенным на ней бруском. Обозначьте на схеме длину наклонной плоскости $\text{l}$, её высоту $\text{h}$ и действующие на брусок силы.

1. С помощью динамометра определите вес бруска $\text{P}$. Результат измерения с учётом абсолютной погрешности $\Delta P$ запишите в таблицу 14.

2. Закрепите один конец доски в лапке штатива, установив её в наклонном положении.

3. Измерьте линейкой длину $\text{l}$ и высоту $\text{h}$ наклонной плоскости. Результаты измерений с учётом абсолютных погрешностей $\Delta l$ и $\Delta h$ запишите в таблицу 14.

4. Положите брусок на доску, прикрепите к нему динамометр и перемещайте брусок вверх по наклонной плоскости с постоянной скоростью.

5. Измерьте силу тяги $\text{F}$, которую показывает динамометр. Результат измерения с учётом абсолютной погрешности $\Delta F$ запишите в таблицу 14.

6. Вычислите: полезную работу $A_{\text{п}} = Ph$; $A_{\text{п}} =\text{\_\_\_\_}$, затраченную работу $A_3 = Fl$; $A_3 =\text{\_\_\_\_}$. Полученные результаты запишите в таблицу 14.

7. Определите КПД наклонной плоскости. Результат запишите в таблицу 14.

$\eta = \frac{A_{\text{п}}}{A_3} \cdot 100\%$; $\eta = \text{\_\_\_\_}$

Таблица 14

Ответьте на контрольные вопросы

1. Какой смысл имеет указание перемещать брусок по наклонной плоскости равномерно? Можно ли двигать его ускоренно?

2. Чему равен КПД идеально гладкой наклонной плоскости?

Сделайте вывод (Заполните пропуски.)

Полезная работа, совершаемая с помощью механизма, всегда _________ полной работы. Поэтому КПД механизма меньше ________. В опыте с наклонной плоскостью дополнительная работа совершается из-за того, что _________.

Схема наклонной плоскости с бруском и силами, действующими на него, при движении вверх:

1. Какой смысл имеет указание перемещать брусок по наклонной плоскости равномерно? Можно ли двигать его ускоренно?

Перемещение бруска с постоянной скоростью (равномерно) означает, что его ускорение равно нулю ($a=0$). Согласно второму закону Ньютона, это возможно только в том случае, если равнодействующая всех сил, приложенных к телу, равна нулю ($\sum \vec{F} = 0$). При движении бруска вверх по наклонной плоскости на него действуют: сила тяги $\vec{F}$, направленная вверх вдоль плоскости, сила тяжести $\vec{P}$, сила нормальной реакции $\vec{N}$ и сила трения $\vec{F}_{тр}$, направленная против движения (вниз вдоль плоскости).

Условие равномерного движения в проекции на ось, параллельную наклонной плоскости, записывается как $F - P_x - F_{тр} = 0$, где $P_x$ — проекция силы тяжести на эту ось. Отсюда следует, что сила тяги $F = P_x + F_{тр}$. Это позволяет измерить силу, которая необходима исключительно для преодоления составляющей силы тяжести и силы трения. Работа этой силы $A_з = F \cdot l$ и будет затраченной работой.

Если бы брусок двигали с ускорением $\text{a}$, то по второму закону Ньютона уравнение движения имело бы вид $F' - P_x - F_{тр} = ma$. Тогда приложенная сила была бы больше: $F' = P_x + F_{тр} + ma$. Затраченная работа $A_з' = F' \cdot l$ включала бы в себя не только работу по подъему и преодолению трения, но и работу по увеличению кинетической энергии тела ($m a l = \Delta E_к$). Это усложнило бы расчет КПД именно наклонной плоскости как простого механизма, так как целью эксперимента является определение эффективности подъема груза, а не его разгона.

Ответ: Указание перемещать брусок равномерно необходимо для того, чтобы измеряемая сила тяги была равна по модулю сумме силы трения и проекции силы тяжести на наклонную плоскость. Это позволяет корректно рассчитать затраченную работу, которая идет только на совершение полезной работы (подъем) и на преодоление трения. Двигать брусок ускоренно можно, но тогда измеряемая сила тяги будет больше, а затраченная работа будет включать в себя еще и работу по сообщению телу кинетической энергии, что не соответствует цели определения КПД простого механизма.

2. Чему равен КПД идеально гладкой наклонной плоскости?

Дано:

Идеально гладкая наклонная плоскость. $F_{тр} = 0$ (сила трения равна нулю)

Найти:

$\eta$ - КПД наклонной плоскости.

Решение:

Коэффициент полезного действия (КПД) $\eta$ определяется как отношение полезной работы $A_п$ к затраченной (полной) работе $A_з$:

$\eta = \frac{A_п}{A_з} \cdot 100\%$

Полезная работа — это работа по подъему груза на высоту $\text{h}$ против силы тяжести. Она равна $A_п = P \cdot h$, где $\text{P}$ — вес бруска.

Затраченная работа — это работа, совершаемая силой тяги $\text{F}$ при перемещении бруска на расстояние $\text{l}$ вдоль наклонной плоскости: $A_з = F \cdot l$.

"Идеально гладкая" наклонная плоскость означает, что сила трения отсутствует ($F_{тр} = 0$). При равномерном подъеме бруска сила тяги $\text{F}$ должна уравновешивать только проекцию силы тяжести на наклонную плоскость $P_x$.

Из геометрии наклонной плоскости следует, что $P_x = P \cdot \sin\alpha$, где $\alpha$ — угол наклона плоскости. Также $\sin\alpha = \frac{h}{l}$.

Таким образом, сила тяги равна $F = P \cdot \sin\alpha = P \cdot \frac{h}{l}$.

Теперь найдем затраченную работу:

$A_з = F \cdot l = (P \cdot \frac{h}{l}) \cdot l = P \cdot h$.

Как мы видим, в этом идеальном случае затраченная работа $A_з$ равна полезной работе $A_п$.

Следовательно, КПД равен:

$\eta = \frac{A_п}{A_з} \cdot 100\% = \frac{P \cdot h}{P \cdot h} \cdot 100\% = 1 \cdot 100\% = 100\%$.

Ответ: КПД идеально гладкой наклонной плоскости равен 100%.

Сделайте вывод (Заполните пропуски.)
Полезная работа, совершаемая с помощью механизма, всегда меньше полной работы. Поэтому КПД механизма меньше 100% (или единицы). В опыте с наклонной плоскостью дополнительная работа совершается из-за того, что существует сила трения между бруском и поверхностью плоскости, на преодоление которой затрачивается часть работы.