Лабораторная работа №10. Определение коэффициента полезного действия наклонной плоскости
В этой работе брусок равномерно втаскивают динамометром вверх по наклонной доске. Измеряют вес бруска, высоту h и длину доски l и силу тяги F. По этим данным находят полезную и затраченную работу и вычисляют коэффициент полезного действия η = Aп / Aз · 100 %.
Цель работы. Экспериментально определить коэффициент полезного действия наклонной плоскости и выяснить, как он зависит от угла наклона.
Сделать ҚМЖ по этой темеЦели обучения
- 7.2.4.6экспериментально определять коэффициент полезного действия наклонной плоскости
- 7.1.3.3знать и соблюдать технику безопасности в кабинете физики
Оборудование
- деревянная доска длиной 0,5–1 м
- штатив с муфтой и лапкой
- деревянный брусок с крючком
- динамометр с пределом 4–5 Н
- набор грузов по 100 г
- линейка или измерительная лента
Ход работы
- 1
Закрепите один конец доски в лапке штатива так, чтобы получилась наклонная плоскость высотой около 20 см.
- 2
Измерьте линейкой длину доски l и высоту h её верхнего края над столом.
- 3
Измерьте динамометром вес бруска P.
- 4
Положите брусок на нижний край доски и, держа динамометр параллельно доске, тяните брусок вверх равномерно. Запишите силу тяги F.
- 5
Вычислите полезную работу Aп = P·h, затраченную работу Aз = F·l и КПД η.
- 6
Положите на брусок груз 100 г и повторите измерения.
- 7
Измените высоту наклонной плоскости, например до 30 см, и повторите опыт.
- 8
Сравните КПД в разных опытах и запишите вывод.
Краткая теория
Наклонная плоскость — простой механизм. Поднять груз на высоту h вдоль наклонной доски легче, чем поднимать его вертикально: сила тяги вдоль доски меньше веса груза. Но выигрыша в работе не бывает: во сколько раз выигрываем в силе, во столько раз проигрываем в расстоянии, ведь путь вдоль доски l больше высоты h.
Полезная работа — та, которую нужно совершить, чтобы поднять груз на высоту h: Aп = P·h = m·g·h. Затраченная (полная) работа — работа силы тяги вдоль доски: Aз = F·l, где F — показание динамометра при равномерном движении, l — длина доски. Работа измеряется в джоулях (Дж): 1 Дж = 1 Н·м.
Часть затраченной работы уходит на преодоление трения, поэтому Aз всегда больше Aп. Отношение полезной работы к затраченной называют коэффициентом полезного действия (КПД): η = Aп / Aз · 100 %. КПД любого механизма меньше 100 %.
КПД наклонной плоскости зависит от трения и от угла наклона. Чем глаже поверхности, тем меньше потери и выше КПД. При одном и том же трении КПД растёт с увеличением угла наклона, но при этом растёт и нужная сила тяги.
Виртуальный опыт
В симуляции «Механическая лаборатория» выберите режим «Движение», затем «Наклонная плоскость». Задайте угол наклона, выберите брусок и массу и нажмите «Тянуть равномерно». Запишите высоту h, длину доски l и показание динамометра F, вычислите Aп = m·g·h, Aз = F·l и η, а потом повторите опыт при другом угле.
Ещё одна симуляция по теме: КПД простого механизма: наклонная плоскость
Таблица измерений
Лабораторная работа №10 · Физика, 7 класс. Определение коэффициента полезного действия наклонной плоскости
Фамилия, имя, класс: ____________________ Дата: __________
| № опыта | Вес бруска P, Н | Высота h, м | Длина доски l, м | Сила тяги F, Н | Полезная работа Aп, Дж | Затраченная работа Aз, Дж | КПД η, % |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 1 | |||||||
| 2 | |||||||
| 3 |
Расчёт и вывод
Полезная работа: Aп = P·h; затраченная работа: Aз = F·l; КПД: η = Aп / Aз · 100 %.
Например, P = 1,96 Н, h = 0,20 м, l = 0,60 м, F = 1,20 Н. Тогда Aп = 1,96 · 0,20 ≈ 0,39 Дж, Aз = 1,20 · 0,60 = 0,72 Дж, η = 0,39 / 0,72 · 100 % ≈ 54 %.
Выигрыш в силе: P / F = 1,96 / 1,20 ≈ 1,6 раза, а путь l больше высоты h в 3 раза — выигрыша в работе нет.
Погрешность: показание динамометра при движении колеблется; снимите его 3 раза и возьмите среднее значение F. Погрешность динамометра — половина цены деления.
Шаблон вывода: В ходе работы я определил(а) КПД наклонной плоскости. При высоте h = … м полезная работа Aп = … Дж, затраченная Aз = … Дж, КПД η = … %. При увеличении угла наклона КПД … . КПД меньше 100 %, потому что … .
Контрольные вопросы
Какую работу при подъёме по наклонной плоскости считают полезной, а какую — затраченной?
Показать ответ
Полезная — работа по подъёму груза на высоту h: Aп = P·h. Затраченная — работа силы тяги вдоль всей доски: Aз = F·l.
Почему КПД наклонной плоскости всегда меньше 100 %?
Показать ответ
Часть затраченной работы идёт на преодоление силы трения между бруском и доской.
Даёт ли наклонная плоскость выигрыш в работе?
Показать ответ
Нет. Она даёт выигрыш в силе, но во столько же раз проигрываем в расстоянии, а из-за трения затраченная работа даже больше полезной.
Как можно повысить КПД наклонной плоскости?
Показать ответ
Уменьшить трение: сделать поверхности глаже, использовать тележку на колёсах вместо бруска. Также КПД растёт при увеличении угла наклона.
Приведите примеры наклонной плоскости в жизни.
Показать ответ
Пандусы, горные серпантины, трапы для погрузки, лестницы. Клин и винт — тоже разновидности наклонной плоскости.
Техника безопасности
- Надёжно закрепите доску в лапке штатива, чтобы она не соскользнула.
- Тяните брусок плавно, без рывков, и держите динамометр параллельно доске.
- Не растягивайте динамометр больше предела его шкалы.
- Следите, чтобы брусок и грузы не скатились с доски на пол.
Учителю
ҚМЖ и СОР по теме этой работы ИИ собирает в кабинете Bilim Plus Ұстаз по кодам целей обучения. Симуляцию можно выдать классу или вывести на доску.
Вопросы
- Можно ли сделать работу без оборудования?
- Да, есть виртуальная лабораторная: симуляция «Механическая лаборатория», режим «Движение», пункт «Наклонная плоскость». Её можно выполнить на компьютере или телефоне, а оформлять результат в журнал — по требованию учителя.
- Как записать вывод?
- Приведите значения полезной и затраченной работы и КПД для каждого опыта, напишите, как КПД изменился с углом наклона, и объясните, почему он меньше 100 %.
- Почему брусок нужно тянуть именно равномерно?
- При разгоне часть силы уходит на увеличение скорости, показание динамометра будет больше, и КПД получится заниженным.