Экспериментальное задание 20.3, страница 89 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 20.3

Работаем самостоятельно

Определение коэффициента полезного действия электродвигателя постоянного тока

Оборудование: электродвигатель, источник постоянного тока, соединительные провода, ключ, деревянный блок, набор грузов, динамометр, нить, секундомер, амперметр, вольтметр.

Определите коэффициент полезного действия электродвигателя постоянного тока.

Порядок выполнения задания

1. Определите полезную мощность $N_{\text{пол}}$ электродвигателя способом, описанным в экспериментальном задании 20.2.

2. Подключите вольтметр параллельно электродвигателю, а амперметр последовательно с ним (рис. 20.7). Измерьте силу тока $\text{I}$, потребляемую электродвигателем, и напряжение $\text{U}$ на нём. Вычислите потребляемую электродвигателем полную мощность $N_{\text{полн}}$:

$N_{\text{полн}} = IU.$

Рис. 20.7

3. Вычислите коэффициент полезного действия электродвигателя постоянного тока:

$\eta = \frac{N_{\text{пол}}}{N_{\text{полн}}}.$

Это экспериментальное задание по определению коэффициента полезного действия (КПД) электродвигателя постоянного тока. Для выполнения расчетов необходимо сначала определить полезную и полную (потребляемую) мощность.

Дано:

Показания приборов с рисунка 20.7:

Сила тока, $I = 1$ А

Напряжение, $U = 4$ В

Данные для определения полезной мощности из гипотетического эксперимента (согласно п.1, который ссылается на задание 20.2):

Масса груза, $m = 100$ г

Высота подъема, $h = 0.5$ м

Время подъема, $t = 2.5$ с

Ускорение свободного падения, $g \approx 9.8$ Н/кг

Перевод в систему СИ:

Масса груза, $m = 100 \text{ г} = 0.1 \text{ кг}$

Найти:

Коэффициент полезного действия, $\eta$ - ?

Решение:

Решение задачи выполним в соответствии с пунктами, указанными в задании.

1. Определите полезную мощность $N_{пол}$ электродвигателя способом, описанным в экспериментальном задании 20.2.

Полезная мощность электродвигателя в данном случае — это мощность, затрачиваемая на подъем груза. Сначала найдем полезную работу $A_{пол}$, которая равна изменению потенциальной энергии груза.

$A_{пол} = m \cdot g \cdot h$

$A_{пол} = 0.1 \text{ кг} \cdot 9.8 \frac{\text{Н}}{\text{кг}} \cdot 0.5 \text{ м} = 0.49 \text{ Дж}$

Теперь вычислим полезную мощность $N_{пол}$ как отношение полезной работы ко времени, за которое она была совершена:

$N_{пол} = \frac{A_{пол}}{t}$

$N_{пол} = \frac{0.49 \text{ Дж}}{2.5 \text{ с}} = 0.196 \text{ Вт}$

Ответ: Полезная мощность электродвигателя составляет $N_{пол} = 0.196$ Вт.

2. Подключите вольтметр параллельно электродвигателю, а амперметр последовательно с ним (рис. 20.7). Измерьте силу тока $\text{I}$, потребляемую электродвигателем, и напряжение $\text{U}$ на нём. Вычислите потребляемую электродвигателем полную мощность $N_{полн}$.

Снимем показания с измерительных приборов, изображенных на рисунке 20.7:

• Амперметр, включенный последовательно, показывает силу тока $I = 1$ А.
• Вольтметр, включенный параллельно, показывает напряжение $U = 4$ В.

Полная (потребляемая) мощность электрического тока вычисляется по формуле:

$N_{полн} = I \cdot U$

$N_{полн} = 1 \text{ А} \cdot 4 \text{ В} = 4 \text{ Вт}$

Ответ: Потребляемая электродвигателем полная мощность составляет $N_{полн} = 4$ Вт.

3. Вычислите коэффициент полезного действия электродвигателя постоянного тока.

Коэффициент полезного действия (КПД) — это отношение полезной мощности к полной (потребляемой) мощности.

$\eta = \frac{N_{пол}}{N_{полн}}$

Подставим найденные значения:

$\eta = \frac{0.196 \text{ Вт}}{4 \text{ Вт}} = 0.049$

Часто КПД выражают в процентах. Для этого результат нужно умножить на 100%.

$\eta = 0.049 \cdot 100\% = 4.9\%$

Ответ: Коэффициент полезного действия электродвигателя равен $0.049$ или $4.9\%$.