Экспериментальное задание 24.2, страница 104 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 24.2

Работаем в паре

Определение коэффициента полезного действия электрогенератора

Оборудование: машина постоянного тока, электрическая лампа, миллиамперметр, вольтметр, набор грузов, нить, соединительные провода, измерительная лента, секундомер.

Определите приблизительно КПД электрогенератора.

Порядок выполнения задания

1. Подключите к выходу электрогенератора электрическую лампу. Последовательно с лампой включите миллиамперметр, параллельно лампе — вольтметр или милливольтметр (рис. 24.6).

2. Привяжите к шкиву генератора нить и намотайте её на шкив. Подберите груз такой массы, чтобы при навешивании его на конец нити шкив не вращался, но после лёгкого толчка груз двигался вниз примерно равномерно.

3. Измерьте силу тока $\text{I}$ в цепи и напряжение $\text{U}$ на лампе при равномерном движении груза вниз. Вычислите полезную мощность генератора:

$N = IU.$

4. Измерьте время $\text{t}$ движения груза от верхней до нижней точки траектории. Вычислите полезную работу $\text{A}$, совершённую электрогенератором под действием груза:

$A_{\text{пол}} = Nt = IUt.$

5. Измерьте расстояние $\text{h}$, пройденное грузом, и вычислите полную работу, совершённую силой тяжести $\text{F}$ при опускании груза:

$A_{\text{полн}} = Fh = mgh.$

6. Вычислите КПД электрогенератора:

$\eta = \frac{A_{\text{пол}}}{A_{\text{полн}}} = \frac{IUt}{mgh}.$

Рис. 24.6

Для определения коэффициента полезного действия (КПД) электрогенератора необходимо выполнить экспериментальное задание. КПД представляет собой отношение полезной работы, выполненной генератором (производство электрической энергии), к полной (затраченной) работе, совершённой внешней силой (в данном случае, силой тяжести падающего груза).

Формула для КПД: $\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{полная}}$

Полезная работа — это работа электрического тока: $A_{полезная} = UIt$, где $\text{U}$ — напряжение, $\text{I}$ — сила тока, $\text{t}$ — время.

Полная работа — это работа силы тяжести: $A_{полная} = mgh$, где $\text{m}$ — масса груза, $\text{g}$ — ускорение свободного падения, $\text{h}$ — высота падения.

Для выполнения расчетов примем гипотетические данные, которые могли бы быть получены в ходе эксперимента.

Дано:

Масса груза $m = 300 \, \text{г}$

Высота падения груза $h = 1.2 \, \text{м}$

Время падения груза $t = 5 \, \text{с}$

Показание вольтметра $U = 3.0 \, \text{В}$

Показание миллиамперметра $I = 60 \, \text{мА}$

Ускорение свободного падения $g \approx 9.8 \, \text{м/с}^2$

Перевод в систему СИ:

$m = 300 \, \text{г} = 0.3 \, \text{кг}$

$h = 1.2 \, \text{м}$

$t = 5 \, \text{с}$

$U = 3.0 \, \text{В}$

$I = 60 \, \text{мА} = 0.06 \, \text{А}$

Найти:

КПД электрогенератора $\eta$.

Решение:

Следуем порядку выполнения задания, описанному в условии.

1. Подключите к выходу электрогенератора электрическую лампу. Последовательно с лампой включите миллиамперметр, параллельно лампе — вольтметр или милливольтметр.

Этот шаг описывает сборку электрической цепи.

2. Привяжите к шкиву генератора нить и намотайте её на шкив. Подберите груз такой массы, чтобы при навешивании его на конец нити шкив не вращался, но после лёгкого толчка груз двигался вниз примерно равномерно.

Этот шаг описывает подготовку механической части установки. Равномерное движение груза обеспечивает постоянство вырабатываемой мощности.

3. Измерьте силу тока I в цепи и напряжение U на лампе при равномерном движении груза вниз. Вычислите полезную мощность генератора: $N = IU$.

Используя наши данные, вычисляем полезную мощность:

$N = 3.0 \, \text{В} \cdot 0.06 \, \text{А} = 0.18 \, \text{Вт}$

4. Измерьте время t движения груза от верхней до нижней точки траектории. Вычислите полезную работу $A_{полезная}$, совершённую электрогенератором под действием груза: $A_{полезная} = Nt = IUt$.

Вычисляем полезную работу за измеренное время:

$A_{полезная} = 0.18 \, \text{Вт} \cdot 5 \, \text{с} = 0.9 \, \text{Дж}$

Или напрямую по формуле: $A_{полезная} = 3.0 \, \text{В} \cdot 0.06 \, \text{А} \cdot 5 \, \text{с} = 0.9 \, \text{Дж}$

5. Измерьте расстояние h, пройденное грузом, и вычислите полную работу, совершённую силой тяжести F при опускании груза: $A_{полная} = Fh = mgh$.

Вычисляем полную (затраченную) работу:

$A_{полная} = 0.3 \, \text{кг} \cdot 9.8 \, \text{м/с}^2 \cdot 1.2 \, \text{м} = 3.528 \, \text{Дж}$

6. Вычислите КПД электрогенератора: $\eta = \frac{A_{полезная}}{A_{полная}} = \frac{IUt}{mgh}$.

Подставляем вычисленные значения работ в формулу для КПД:

$\eta = \frac{0.9 \, \text{Дж}}{3.528 \, \text{Дж}} \approx 0.255$

Для выражения в процентах, умножим результат на 100%:

$\eta \approx 0.255 \cdot 100\% = 25.5\%$

Ответ: Приблизительный КПД электрогенератора, рассчитанный на основе гипотетических экспериментальных данных, составляет $\eta \approx 25.5\%$.