Дополнительное задание, страница 49 - гдз по физике 7 класс лабораторный практикум Холина, Березин

Лабораторные работы. Лабораторная работа № 13 «Изучение принципа действия неподвижного и подвижного блоков» - страница 49.

Условие.

► Дополнительное задание* «Определение КПД подвижного и неподвижного блоков»

Определите КПД подвижного и неподвижного блоков.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, набор грузов, подвижный и неподвижный блоки, нить, два указателя, линейка, динамометр.

Указание. На стойке штатива следует закрепить указатели на некотором расстоянии друг от друга и поднимать гирлянду из четырёх грузов на высоту $\text{h}$, равную расстоянию между указателями.

Полезная работа определяется по формуле

$A_п = F_1h$

где $F_1$ — общий вес грузов.

Затраченная (полная) работа определяется по формуле

$A_з = F_2s$

где $F_2$ — сила тяги, $\text{s}$ — путь, пройденный концом нити, закреплённой на динамометре для подъёма грузов на высоту $\text{h}$.

Решение.

Для определения коэффициента полезного действия (КПД) системы, состоящей из подвижного и неподвижного блоков, необходимо провести лабораторную работу. Ниже представлен порядок её выполнения и пример расчёта.

Цель работы:

Экспериментально определить КПД установки, состоящей из подвижного и неподвижного блоков, при подъёме груза.

Оборудование:

Штатив с муфтой и лапкой, набор грузов, подвижный и неподвижный блоки, нить, два указателя, линейка, динамометр.

Ход работы:

1. Собрать экспериментальную установку. На лапке штатива закрепить неподвижный блок. Через него и подвижный блок пропустить нить. Один конец нити закрепить на лапке штатива, а к другому прикрепить динамометр. К оси подвижного блока подвесить гирлянду из четырёх грузов.

2. Измерить с помощью динамометра вес гирлянды из четырёх грузов $F_1$. Это будет сила, против которой совершается полезная работа.

3. Установить на стойке штатива два указателя (нижний и верхний) на некотором расстоянии друг от друга. Измерить это расстояние $\text{h}$ с помощью линейки. Это будет высота, на которую поднимается груз.

4. Равномерно и медленно тянуть динамометр вертикально вниз, поднимая грузы от нижнего указателя до верхнего. Во время движения зафиксировать показание динамометра $F_2$. Это будет сила тяги, совершающая полную (затраченную) работу.

5. Измерить с помощью линейки расстояние $\text{s}$, на которое переместился динамометр при подъеме грузов на высоту $\text{h}$. Теоретически, для системы с одним подвижным блоком $s = 2h$.

6. Рассчитать полезную работу $А_п$ и затраченную работу $А_з$ по формулам, приведённым в задании.

7. Вычислить КПД системы блоков по формуле $\eta = \frac{А_п}{А_з} \cdot 100\%$.

8. Сделать вывод о проделанной работе.

Пример вычислений:

Допустим, в ходе эксперимента были получены следующие данные.

Дано:

Вес четырёх грузов, $F_1 = 4$ Н
Высота подъёма грузов, $h = 15$ см
Сила тяги, измеренная динамометром, $F_2 = 2,2$ Н
Путь, пройденный концом нити, $s = 30$ см

Перевод в СИ:

$h = 0,15$ м
$s = 0,30$ м

Найти:

КПД системы блоков, $\eta$

Решение:

1. Определим полезную работу $А_п$, которая совершается для подъёма грузов на высоту $\text{h}$.
$А_п = F_1 h$
$А_п = 4 \text{ Н} \cdot 0,15 \text{ м} = 0,6$ Дж.

2. Определим затраченную (полную) работу $А_з$, которую совершает сила тяги $F_2$ на пути $\text{s}$.
$А_з = F_2 s$
$А_з = 2,2 \text{ Н} \cdot 0,30 \text{ м} = 0,66$ Дж.

3. Рассчитаем КПД системы блоков.
$\eta = \frac{А_п}{А_з} \cdot 100\%$
$\eta = \frac{0,6 \text{ Дж}}{0,66 \text{ Дж}} \cdot 100\% \approx 90,9\%$.

Ответ: КПД системы, состоящей из подвижного и неподвижного блоков, составляет примерно $90,9\%$.

Вывод:

В ходе выполнения работы был определён КПД системы блоков, который оказался меньше 100%. Это означает, что затраченная работа всегда больше полезной работы ($А_з > А_п$). Разница между ними идёт на преодоление силы трения в осях блоков и на подъём самого подвижного блока и нити, которые также имеют вес. Таким образом, часть энергии теряется, что и отражается в значении КПД.

Ответ: КПД подвижного и неподвижного блоков определяется как отношение полезной работы по подъёму груза к полной работе, совершённой приложенной силой, и всегда составляет менее 100% из-за потерь энергии на трение и подъём частей самого механизма.