Страница 221 - гдз по физике 7 класс учебник Пёрышкин, Иванов

№ 12 Определение КПД наклонной плоскости

Цель работы Определить коэффициент полезного действия (КПД) наклонной плоскости. Проверить гипотезу: «КПД простого механизма меньше 100% (на примере наклонной плоскости)».

Приборы и материалы Деревянная доска, динамометр, измерительная лента или линейка, брусок, штатив с муфтой и лапкой, нить.

Указания к работе

1. Определите с помощью динамометра вес Р бруска.

2. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, и вычислений без учёта погрешности записывайте в таблицу 20.

3. Соберите установку по рисунку 200.

4. Измерьте высоту h к наклонной плоскости.

5. Вычислите полезную работу по формуле: А_п = Ph.

6. Перемещайте брусок с постоянной скоростью вверх по наклонной плоскости, прикладывая силу вдоль доски.

7. В процессе движения бруска измерьте силу тяги F.

8. Измерьте с помощью линейки путь s, который проделал брусок.

9. Вычислите затраченную работу по подъёму бруска по формуле: А₃ = Fs.

10 . Определите КПД наклонной плоскости: ƞ =$\frac{{А}_{п}}{{А}_{з}}$ • 100%.

11. Проанализируйте результаты и сделайте вывод.

Определите с помощью динамометра вес P бруска.

Для определения веса бруска необходимо подвесить его на крючок динамометра. Динамометр следует держать вертикально, чтобы его пружина растягивалась только под действием силы тяжести бруска. После того как стрелка динамометра успокоится, нужно снять показания со шкалы. Это значение и будет весом бруска $P$. Результат измерения следует записать в таблицу с учетом погрешности.

Ответ: Вес бруска $P$ измеряется путем его подвешивания на динамометр и считывания показаний прибора.

2. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, и вычислений без учёта погрешности записывайте в таблицу 20.

Все полученные данные необходимо систематизировать в таблице. В столбцы для прямых измерений ($h, P, s, F$) значения заносятся в формате «измеренное значение ± абсолютная погрешность». Абсолютная погрешность для прямых измерений принимается равной цене деления измерительного прибора (линейки и динамометра). Например, если цена деления линейки 1 мм, то погрешность измерения длины или высоты будет $\pm$0,001 м. Столбцы для вычисляемых величин ($A_п, A_з, \eta$) заполняются по результатам расчетов по соответствующим формулам.

Ответ: Результаты измерений и расчетов заносятся в таблицу 20, при этом для прямых измерений указывается абсолютная погрешность, равная цене деления прибора.

3. Соберите установку по рисунку 200.

Для сборки установки деревянную доску (наклонную плоскость) одним концом кладут на стол, а другой конец закрепляют на некоторой высоте с помощью штатива с муфтой и лапкой. Таким образом, доска образует с поверхностью стола острый угол. Рядом с установкой располагают измерительную ленту или линейку для последующих измерений.

Ответ: Установка собирается путем закрепления одного конца доски в штативе на определенной высоте над поверхностью стола.

4. Измерьте высоту h наклонной плоскости.

Высота $h$ – это вертикальное расстояние от поверхности стола до верхнего конца наклонной плоскости, на который будет поднят брусок. Для ее измерения используется линейка или измерительная лента, расположенная перпендикулярно поверхности стола. Результат измерения $h$ заносится в таблицу.

Ответ: Высота $h$ измеряется с помощью линейки как перпендикулярное расстояние от основания до верхнего края наклонной плоскости.

5. Вычислите полезную работу по формуле: $A_п = Ph$.

Полезная работа $A_п$ – это работа, совершаемая для преодоления силы тяжести при подъеме тела на высоту $h$. Она не зависит от траектории движения, а только от веса тела и высоты подъема. Для расчета используется значение веса $P$, измеренное в пункте 1, и значение высоты $h$, измеренное в пункте 4. Результат вычислений заносится в таблицу.

Ответ: Полезная работа $A_п$ вычисляется как произведение веса бруска $P$ на высоту подъема $h$ по формуле $A_п = Ph$.

6. Перемещайте брусок с постоянной скоростью вверх по наклонной доске, прикладывая силу вдоль доски.

К бруску прикрепляется динамометр, и с его помощью брусок тянут вверх вдоль наклонной плоскости. Важнейшим условием является равномерное движение бруска, то есть с постоянной скоростью. Это необходимо для того, чтобы приложенная сила тяги $F$ уравновешивала сумму проекции силы тяжести на наклонную плоскость и силы трения. Если движение будет ускоренным, сила тяги будет совершать дополнительную работу по увеличению кинетической энергии тела, что исказит результаты эксперимента.

Ответ: Брусок необходимо тянуть вверх по наклонной плоскости равномерно (с постоянной скоростью), прикладывая силу параллельно плоскости.

7. Измерьте с помощью линейки путь s, который проделал брусок.

Путь $s$ – это расстояние, которое прошел брусок вдоль наклонной плоскости от ее основания до верхней точки. Это расстояние равно длине наклонной плоскости. Измеряется с помощью линейки или измерительной ленты. Результат измерения $s$ заносится в таблицу.

Ответ: Путь $s$ измеряется линейкой и представляет собой длину наклонной плоскости, по которой перемещался брусок.

8. Измерьте силу тяги F.

Сила тяги $F$ – это сила, которую показывает динамометр в процессе равномерного перемещения бруска вверх по наклонной плоскости (согласно пункту 6). Необходимо считывать показания динамометра во время движения бруска. Значение силы тяги $F$ заносится в таблицу.

Ответ: Сила тяги $F$ измеряется динамометром во время равномерного подъема бруска по наклонной плоскости.

9. Вычислите затраченную работу по подъёму бруска по формуле: $A_з = Fs$.

Затраченная (или полная) работа $A_з$ – это работа, совершаемая приложенной силой тяги $F$ на пути $s$. Она включает в себя как полезную работу по подъему бруска, так и работу по преодолению силы трения. Для расчета используется значение силы тяги $F$ из пункта 8 и значение пути $s$ из пункта 7. Результат вычислений заносится в таблицу.

Ответ: Затраченная работа $A_з$ вычисляется как произведение приложенной силы тяги $F$ на пройденный путь $s$ по формуле $A_з = Fs$.

10. Определите КПД наклонной плоскости: $\eta = \frac{A_п}{A_з} \cdot 100\%$.

Коэффициент полезного действия (КПД) $\eta$ показывает, какая часть затраченной работы пошла на совершение полезной работы. Он является основной характеристикой эффективности любого механизма. Для его расчета используются вычисленные значения полезной работы $A_п$ (пункт 5) и затраченной работы $A_з$ (пункт 9). Результат выражается в процентах и заносится в таблицу.

Ответ: КПД $\eta$ наклонной плоскости определяется как отношение полезной работы к затраченной, умноженное на 100%, по формуле $\eta = \frac{A_п}{A_з} \cdot 100\%$.

11. Проанализируйте результаты и сделайте вывод.

При анализе результатов следует сравнить значения полезной ($A_п$) и затраченной ($A_з$) работы. В реальных условиях из-за наличия силы трения между бруском и поверхностью доски затраченная работа всегда будет больше полезной ($A_з > A_п$). Следовательно, КПД наклонной плоскости всегда будет меньше 100%. Вывод должен подтвердить гипотезу, указанную в цели работы: КПД простого механизма (в данном случае наклонной плоскости) меньше 100% из-за потерь энергии на преодоление сил трения.

Ответ: В выводе следует указать, что затраченная работа $A_з$ оказалась больше полезной работы $A_п$, поэтому КПД наклонной плоскости $\eta$ получился меньше 100%. Это объясняется тем, что часть работы совершается против силы трения. Таким образом, гипотеза о том, что КПД простого механизма меньше 100%, подтверждается.