Лабораторная работа № 10, страница 122 - гдз по физике 7 класс учебник Пурышева, Важеевская

Лабораторная работа № 10

Измерение КПД при подъёме тела по наклонной плоскости

Цель работы: экспериментально определить КПД наклонной плоскости.

Приборы и материалы: брусок, динамометр, деревянная доска, штатив с муфтой и лапкой, измерительная лента.

Рис. 110

Порядок выполнения работы

1. Установите наклонно доску, закрепив её в лапке штатива (рис. 110).

2. Измерьте длину и высоту наклонной плоскости.

3. Измерьте с помощью динамометра вес бруска.

4. Прикрепите к динамометру брусок и равномерно перемещайте его вверх по наклонной плоскости. Измерьте силу тяги.

5. Вычислите полезную работу, которая равна работе, совершаемой при подъёме бруска вертикально вверх.

6. Результаты измерений с учётом абсолютной погрешности и вычислений запишите в таблицу 18.

7. Вычислите полную работу, которая равна работе, совершаемой при подъёме бруска на ту же высоту вдоль наклонной плоскости.

8. Вычислите КПД наклонной плоскости.

Таблица 18

№ опыта | Длина наклонной плоскости $\text{l}$, м | Высота наклонной плоскости $\text{h}$, м | Вес бруска $\text{P}$, Н | Сила тяги $\text{F}$, Н | Полезная работа $A_п = Ph$, Дж | Полная работа $A = Fl$, Дж | КПД $\eta$, %
1 | | | | | | |
2* | | | | | | |

9*. Дополнительное задание. Определите, как влияет высота наклонной плоскости на КПД при подъёме по ней тела. Для этого измените высоту прикрепления лапки на штативе и сделайте дополнительные измерения.

Цель работы:

Экспериментально определить коэффициент полезного действия (КПД) наклонной плоскости.

Приборы и материалы:

Брусок, динамометр, деревянная доска, штатив с муфтой и лапкой, измерительная лента.

Ход выполнения работы:

В ходе лабораторной работы была собрана установка, состоящая из наклонной плоскости (деревянной доски), закрепленной в штативе. Были проведены два опыта для определения КПД наклонной плоскости при разных углах наклона.

1. В первом опыте была установлена наклонная плоскость с определенной высотой. С помощью измерительной ленты были измерены длина $l$ и высота $h$ наклонной плоскости. Динамометром был измерен вес бруска $P$. Затем брусок равномерно перемещали вверх по наклонной плоскости, измеряя силу тяги $F$.

2. Во втором опыте (дополнительное задание) была увеличена высота наклонной плоскости для исследования зависимости КПД от угла наклона. Длина плоскости осталась прежней. Были повторены все измерения.

3. Для каждого опыта были вычислены полезная работа $A_п$, полная работа $A$ и КПД $η$.

Результаты измерений и вычислений занесены в таблицу:

Вычисления для опыта №1

Дано: $l_1 = 0,5$ м $h_1 = 0,1$ м $P = 2,0$ Н $F_1 = 1,0$ Н

Найти: $A_{п1}$, $A_1$, $η_1$.

Решение:

1. Полезная работа, совершаемая при подъеме бруска на высоту $h_1$, вычисляется по формуле: $A_{п1} = P \cdot h_1$ $A_{п1} = 2,0 \text{ Н} \cdot 0,1 \text{ м} = 0,2 \text{ Дж}$

2. Полная (затраченная) работа, совершаемая силой тяги $F_1$ при перемещении бруска вдоль наклонной плоскости на расстояние $l_1$: $A_1 = F_1 \cdot l_1$ $A_1 = 1,0 \text{ Н} \cdot 0,5 \text{ м} = 0,5 \text{ Дж}$

3. Коэффициент полезного действия (КПД) наклонной плоскости равен отношению полезной работы к полной работе, выраженному в процентах: $η_1 = \frac{A_{п1}}{A_1} \cdot 100\%$ $η_1 = \frac{0,2 \text{ Дж}}{0,5 \text{ Дж}} \cdot 100\% = 40\%$

Ответ: Полезная работа $A_{п1} = 0,2$ Дж, полная работа $A_1 = 0,5$ Дж, КПД $η_1 = 40\%$.

Вычисления для опыта №2*

Дано: $l_2 = 0,5$ м $h_2 = 0,2$ м $P = 2,0$ Н $F_2 = 1,4$ Н

Найти: $A_{п2}$, $A_2$, $η_2$.

Решение:

1. Полезная работа при подъеме бруска на высоту $h_2$: $A_{п2} = P \cdot h_2$ $A_{п2} = 2,0 \text{ Н} \cdot 0,2 \text{ м} = 0,4 \text{ Дж}$

2. Полная работа, совершаемая силой тяги $F_2$: $A_2 = F_2 \cdot l_2$ $A_2 = 1,4 \text{ Н} \cdot 0,5 \text{ м} = 0,7 \text{ Дж}$

3. КПД наклонной плоскости: $η_2 = \frac{A_{п2}}{A_2} \cdot 100\%$ $η_2 = \frac{0,4 \text{ Дж}}{0,7 \text{ Дж}} \cdot 100\% \approx 57,1\%$

Ответ: Полезная работа $A_{п2} = 0,4$ Дж, полная работа $A_2 = 0,7$ Дж, КПД $η_2 \approx 57,1\%$.

Вывод по дополнительному заданию (9*)

Сравнивая результаты двух опытов, можно определить, как высота наклонной плоскости влияет на КПД при подъёме по ней тела. В первом опыте при высоте $h_1 = 0,1$ м КПД составил $η_1 = 40\%$. Во втором опыте, когда высота была увеличена до $h_2 = 0,2$ м (при той же длине $l = 0,5$ м), КПД увеличился до $η_2 \approx 57,1\%$.

Увеличение высоты наклонной плоскости при ее постоянной длине приводит к увеличению угла наклона. Это, в свою очередь, ведет к уменьшению силы нормального давления бруска на плоскость и, как следствие, к уменьшению работы силы трения. Хотя работа по преодолению силы тяжести (полезная работа) и составляющая силы тяжести вдоль плоскости растут, относительная доля работы против сил трения в полной работе уменьшается. В результате КПД наклонной плоскости увеличивается.

Ответ: При увеличении высоты наклонной плоскости (и, следовательно, угла ее наклона) ее КПД увеличивается.