Номер 5, страница 204, часть 1 - гдз по физике 9 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 5. Законы сохранения в механике. Параграф 49. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 5, страница 204.

Условие.

• Работа и мощность технических устройств.

Решение.

Решение

Работа и мощность являются фундаментальными физическими характеристиками, описывающими функционирование любых технических устройств, от простых механизмов до сложных машин и двигателей. Они позволяют оценить как результат деятельности устройства, так и эффективность его работы.

Работа

В физике механическая работа совершается, когда приложенная к телу сила вызывает его перемещение. Работа, совершаемая постоянной силой, определяется как произведение модуля силы $\text{F}$, модуля перемещения $\text{s}$ и косинуса угла $\alpha$ между направлениями силы и перемещения.

Математически это выражается формулой: $A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha)$

Если направление силы совпадает с направлением перемещения, то угол $\alpha = 0$, и $\cos(0) = 1$, тогда формула упрощается: $A = F \cdot s$.

Единицей измерения работы в Международной системе единиц (СИ) является Джоуль (Дж). 1 Дж равен работе, совершаемой силой в 1 Ньютон при перемещении тела на 1 метр в направлении действия силы.

Для технических устройств работа — это полезный результат их действия. Например, работа подъёмного крана заключается в поднятии груза на определённую высоту (преодолении силы тяжести), а работа двигателя автомобиля — в перемещении автомобиля на определённое расстояние (преодолении сил трения и сопротивления воздуха).

Мощность

Мощность — это физическая величина, характеризующая скорость совершения работы. Она показывает, какая работа совершается за единицу времени. Мощность является одной из важнейших характеристик любого двигателя или механизма, так как она определяет его производительность.

Мощность $\text{N}$ вычисляется как отношение работы $\text{A}$ ко времени $\text{t}$, за которое эта работа была совершена:

$N = \frac{A}{t}$

Единицей измерения мощности в системе СИ является Ватт (Вт), названная в честь Джеймса Уатта. 1 Вт равен 1 Джоулю в секунду ($1 \text{ Вт} = 1 \text{ Дж/с}$).

Чем больше мощность устройства, тем быстрее оно может совершить ту же самую работу. Например, автомобиль с более мощным двигателем разгоняется до нужной скорости быстрее. Также мощность можно выразить через силу и скорость. При движении с постоянной скоростью $\text{v}$ под действием силы $\text{F}$, направленной вдоль движения, мощность равна: $N = F \cdot v$.

Коэффициент Полезного Действия (КПД)

В реальных технических устройствах не вся потребляемая энергия превращается в полезную работу. Часть энергии всегда теряется из-за трения в механизмах, нагрева проводников электрическим током и других физических процессов. Эти потери приводят к выделению тепла и рассеиванию энергии в окружающую среду.

Для оценки эффективности преобразования энергии в полезную работу используется коэффициент полезного действия (КПД), который обозначается греческой буквой $\eta$ (эта). КПД — это отношение полезной работы $A_п$ ко всей затраченной работе (или энергии) $A_з$.

Формула для расчёта КПД: $\eta = \frac{A_п}{A_з}$

КПД является безразмерной величиной. Его часто выражают в процентах, умножая полученное значение на 100%:

$\eta = \frac{A_п}{A_з} \cdot 100\%$

Поскольку $N = A/t$, КПД также можно выразить через полезную мощность $N_п$ и затраченную (полную) мощность $N_з$:

$\eta = \frac{N_п}{N_з} \cdot 100\%$

Здесь $A_п$ (или $N_п$) — это та работа (мощность), для выполнения которой предназначено устройство, а $A_з$ (или $N_з$) — это вся энергия (мощность), которую устройство потребляет от источника (например, от электросети или из топлива). Из-за неизбежных потерь энергии КПД любого реального механизма всегда меньше 1 (или 100%).

Ответ: Работа технического устройства — это мера преобразования энергии для совершения полезного действия (например, перемещения объекта), она измеряется в Джоулях и вычисляется по формуле $A = F \cdot s \cdot \cos(\alpha)$. Мощность — это скорость совершения работы, она измеряется в Ваттах и определяется как $N = A/t$. Коэффициент полезного действия (КПД) характеризует эффективность устройства и представляет собой отношение полезной работы к полной затраченной энергии ($\eta = A_п/A_з$), его значение всегда меньше 100% из-за потерь энергии.