Формула коэффициента полезного действия 7 класс
Теория
| 1. | Коэффициент полезного действия механизма |
Задания
| 1. | КПД рычага Сложность: | 1 |
| 2. | КПД неподвижных блоков Сложность: | 1 |
| 3. | Работа, производимая для поднятия груза Сложность: | 2 |
| 4. | КПД экскаватора Сложность: | 2 |
| 5. | КПД подъёмника Сложность: | 2 |
| 6. | КПД механизма для забивания свай Сложность: | 2 |
| 7. | Работа по преодолению силы трения и КПД Сложность: | 3 |
| 8. | Полезная работа Сложность: | 3 |
| 9. | КПД, наклонная плоскость Сложность: | 3 |
| 10. | Сила тяги моторов Сложность: | 4 |
| 11. | КПД установки Сложность: | 3 |
| 12. | Масса воды Сложность: | 4 |
| 13. | Скорость поезда Сложность: | 4 |
| 14. | Подвижный блок Сложность: | 4 |
Тесты
| 1. | Тренировка по теме «Коэффициент полезного действия» Сложность: среднее | 8 |
Методические материалы
| 1. | Технологическая карта |
Источник
Трактовка понятия
Электродвигатель и другие механизмы выполняют определённую работу, которая называется полезной. Устройство, функционируя, частично растрачивает энергию. Для определения эффективности работы применяется формула ɳ= А1/А2×100%, где:
- А1 — полезная работу, которую выполняет машина либо мотор;
- А2 — общий цикл работы;
- η – обозначение КПД.
Показатель измеряется в процентах. Для нахождения коэффициента в математике используется следующая формула: η= А/Q, где А — энергия либо полезная работа, а Q — затраченная энергия. Чтобы выразить значение в процентах, КПД умножается на 100%. Действие не несёт содержательного смысла, так как 100% = 1. Для источника тока КПД меньше единицы.
В старших классах ученики решают задачи, в которых нужно найти КПД тепловых двигателей. Понятие трактуется следующим образом: отношение выполненной работы силового агрегата к энергии, полученной от нагревателя. Расчет производится по следующей формуле: η= (Q1-Q2)/Q1, где:
- Q1 — теплота, полученная от нагревательного элемента;
- Q2 — теплота, отданная холодильной установке.
Максимальное значение показателя характерно для циклической машины. Она оперирует при заданных температурах нагревательного элемента (Т1) и холодильника (Т2). Измерение осуществляется по формуле: η= (Т1-Т2)/Т1. Чтобы узнать КПД котла, который функционирует на органическом топливе, используется низшая теплота сгорания.
Плюс теплового насоса как нагревательного прибора заключается в возможности получать больше энергии, чем он может затратить на функционирование. Показатель трансформации вычисляется путём деления тепла конденсации на работу, затрачиваемую на выполнение данного процесса.
Мощность разных устройств
По статистике, во время работы прибора теряется до 25% энергии. При функционировании двигателя внутреннего сгорания топливо сгорает частично. Небольшой процент вылетает в выхлопную трубу. При запуске бензиновый мотор греет себя и составные элементы. На потерю уходит до 35% от общей мощности.
При движении механизмов происходит трение. Для его ослабления используется смазка. Но она неспособна полностью устранить явление, поэтому затрачивается до 20% энергии. Пример на автомобиле: если расход составляет 10 литров топлива на 100 км, на движение потребуется 2 л, а остаток, равный 8 л — потеря.
Если сравнивать КПД бензинового и дизельного моторов, полезная мощность первого механизма равна 25%, а второго — 40%. Агрегаты схожи между собой, но у них разные виды смесеобразования:
- Поршни бензинового мотора функционируют на высоких температурах, поэтому нуждаются в хорошем охлаждении. Тепло, которое могло бы перейти в механическую энергию, тратится впустую, что способствует снижению КПД.
- В цепи дизельного устройства топливо воспламеняется в процессе сжатия. На основе данного фактора можно сделать вывод, что давление в цилиндрах высокое, при этом мотор экологичнее и меньше первого аналога. Если проверить КПД при низком функционировании и большом объёме, результат превысит 50%.
Асинхронные механизмы
Расшифровка термина «асинхронность» — несовпадение по времени. Понятие используется во многих современных машинах, которые являются электрическими и способны преобразовывать соответствующую энергию в механическую. Плюсы устройств:
- простое изготовление;
- низкая цена;
- надёжность;
- незначительные эксплуатационные затраты.
Чтобы рассчитать КПД, используется уравнение η = P2 / P1. Для расчёта Р1 и Р2 применяются общие данные потери энергии в обмотках мотора. У большинства агрегатов показатель находится в пределах 80−90%. Для быстрого расчёта используется онлайн-ресурс либо личный калькулятор. Для проверки возможного КПД у мотора внешнего сгорания, который функционирует от разных источников тепла, используется силовой агрегат Стирлинга. Он представлен в виде тепловой машины с рабочим телом в виде жидкости либо газа. Вещество движется по замкнутому объёму.
Принцип его функционирования основан на постепенном нагреве и охлаждении объекта за счёт извлечения энергии из давления. Подобный механизм применяется на косметическом аппарате и современной подводной лодке. Его работоспособность наблюдается при любой температуре. Он не нуждается в дополнительной системе для запуска. Его КПД возможно расширить до 70%, в отличие от стандартного мотора.
Значения показателя
В 1824 году инженер Карно дал определение КПД идеального двигателя, когда коэффициент равен 100%. Для трактовки понятия была создана специальная машина со следующей формулой: η=(T1 — Т2)/ T1. Для расчёта максимального показателя применяется уравнение КПД макс = (T1-T2)/T1x100%. В двух примерах T1 указывает на температуру нагревателя, а T2 — температуру холодильника.
На практике для достижения 100% коэффициента потребуется приравнять температуру охладителя к нулю. Подобное явление невозможно, так как T1 выше температуры воздуха. Процедура повышения КПД источника тока либо силового агрегата считается важной технической задачей. Теоретически проблема решается путём снижения трения элементов двигателя и уменьшения теплопотери. В дизельном моторе подобное достигается турбонаддувом. В таком случае КПД возрастает до 50%.
Мощность стандартного двигателя увеличивается следующими способами:
- подключение к системе многоцилиндрового агрегата;
- применение специального топлива;
- замена некоторых деталей;
- перенос места сжигания бензина.
КПД зависит от типа и конструкции мотора. Современные учёные утверждают, что будущее за электродвигателями. На практике работа, которую совершает любое устройство, превышает полезную, так как определённая её часть выполняется против трения. Если используется подвижный блок, совершается дополнительная работа: поднимается блок с верёвкой, преодолеваются силы трения в блоке.
Решение примеров
Задача 1. Поезд на скорости 54 км/ч развивает мощность 720 кВт. Нужно вычислить силу тяги силовых агрегатов. Решение: чтобы найти мощность, используется формула N=F x v. Если перевести скорость в единицу СИ, получится 15 м/с. Подставив данные в уравнение, определяется, что F равно 48 kН.
Задача 2. Масса транспортного средства соответствует 2200 кг. Машина, поднимаясь в гору под уклоном в 0,018, проходит расстояние 100 м. Скорость развивается до 32,4 км/ч, а коэффициент трения соответствует 0,04. Нужно определить среднюю мощность авто при движении. Решение: вычисляется средняя скорость — v/2. Чтобы определить силу тяги мотора, выполняется рисунок, на котором отображаются силы, воздействующие на машину:
- тяжесть — mg;
- реакция опоры — N;
- трение — Ftr;
- тяга — F.
Первая величина вычисляется по второму закону Ньютона: mg+N+Ftr+F=ma. Для ускорения используется уравнение a=v2/2S. Если подставить последние значение и воспользоваться cos, получится средняя мощность. Так как ускорение считается постоянной величиной и равно 9,8 м/с2, поэтому v= 9 м/с. Подставив данные в первую формулу, получится: N= 9,5 kBt.
При решении сложных задач по физике рекомендуется проверить соответствие предоставленных в условиях единиц измерения с международными стандартами. Если они отличаются, необходимости перевести данные с учётом СИ.
Источник
Автор урока: Харламова Ольга Владимировна, учитель физики МОУ лицей №1 г. Комсомольска-на-Амуре Хабаровского края.
Представлен урок физики «Коэффициент полезного действия», 7 класс. Урок проводится согласно календарно-тематическому планированию по программе, рекомендованной МО РФ под редакцией авторов Е.М. Гутник и А.В. Перышкин.
Данный урок является продолжением работы по теме «Простые механизмы».
По типу – урок получения нового знания.
Вид – урок-исследование с проведением лабораторных экспериментов. Тема урока разбивается на ряд небольших и разных экспериментальных задач, решение которых поручается отдельным группам. Полученные результаты учащиеся докладывают классу, и на их основе формулируется общий вывод.
По концептуальной основе данный урок является уроком деятельностной направленности.
На уроке используются следующие ресурсы ИКТ:
Презентация, которая позволяет сделать урок более наглядным, поддерживать темп урока. Очень удобно при этом использовать интерактивную доску в режиме показа презентаций. Презентация используется на всех этапах урока: актуализация знаний, объяснение нового материала, закрепления, подведения итогов.
ЦОР «Изменение КПД наклонной плоскости», позволяющий проводить виртуальный эксперимент.
Документ камера – для экономии времени вывод формулы КПД учащимися проецировать с рабочего листа на доску.
Литература: 1. Браверманн Э.М. Преподавание физики, развивающее ученика. В 3-х кн.
2. Преподавание физики, развивающее ученика. – М.: Ассоциация учителей физики, 2003.
Тема: Коэффициент полезного действия.
Цели: 1. Познакомить учащихся с понятием коэффициента полезного действия простых механизмов, показать способы определения и расчета КПД, сравнить значения КПД наклонной плоскости, рычага, подвижного и неподвижного блоков.
2. Развивать навыки научно-исследовательской деятельности: выдвижение гипотезы, постановка эксперимента, обработка и анализ полученных результатов.
3. Воспитывать культуру проведения эксперимента, умение доказательно высказывать свое мнение, умение взаимодействовать в команде.
Тип урока. Изучение нового материала.
Оборудование: наборы по механики: подвижный и неподвижный блоки, штативы, линейки, динамометры, каретки, рычаги.
ТСО: ноутбук, мультимедийный проектор, интерактивная доска, документ-камера;
ЦОР – измерение КПД наклонной плоскости.
Ход урока.
Орг. Момент.
Здравствуйте. Сегодня на уроке мы продолжаем изучать простые механизмы.
Начальный этап.
Цель: Актуализация знаний учащихся.
На экране поочередно появляются портреты: Архимед, Петр I, Гартнер. (слайд 2)
У – Кто это? Что вы знаете об Архимеде, … Петре 1, …? Что их связывает?
– Архимед – древнегреческий ученый, изобрел простые механизмы и описал их свойства.
Петр 1 – русский император, вывел Россию на новый этап развития, может быть, использовал простые механизмы при постройке кораблей, их транспортировке.
Третий портрет – неизвестен.
У – О последней исторической личности и как она связана с Архимедом и Петром 1 мы узнаем в конце сегодняшнего урока.
Посмотрим на анаграммы. (слайд 3) Разгадайте слова и найдите лишнее понятие. Что ты знаешь о рычаге? А ты применяешь эти механизмы в жизни. (дома, на даче).
– Блок, ворот, рычаг, веревка. Лишнее слово – веревка, так как остальные – разновидности рычага.
Блок бывает неподвижным и подвижным. Подвижный блок дает выигрыш в силе в 2 раза, но проигрыш в расстоянии в 2 раза.
Неподвижный блок не дает выигрыш в силе, но позволяет изменить направление действия силы. Блоки применяются на стройках, в хозяйстве для поднятия тяжелых предметов на большую высоту.
Рычаг дает выигрыш в силе. Используется во множествах устройствах: ножницы, тележки, плоскогубцы.
Слайд 4.
– Клин, винт, наклонная плоскость, кран. Лишнее слово КРАН, так как остальные термины обозначают разновидности наклонной плоскости.
У- Если не сказали о золотом правиле механики – намекнуть по цвету клина – Что еще мы знаем о простых механизмах
– ни один простой механизм не дает выигрыш в работе.
3. Определение темы и цели урока.
У- Однако в реальных условиях, для совершения нужной (полезной) работы требуется затратить большую работу. Как вы думаете почему?
– в природе действую силы трения, сопротивления. Кроме того, выполняются лишние, но необходимые для достижения результаты действия.
У – Рассмотрим пример (слайд 5): в аппарат для получения сока необходимо погрузить яблоки. Грузчик поднимает яблоки в корзинах и высыпает их. Какие виды работ он совершает?
– работа по подъему яблок, по подъему корзины, подъем самого блока и веревки, преодоление силы трения – это полная работа, которую выполняет человек.
Полезной является только работа по подъему яблок, но без остальных видов работ необходимый результат не может быть достигнут.
У – (слайд 6) Соотношение между полезной о полной работой называется коэффициентом полезного действия механизма. . Запишите тему урока и определение коэффициента полезного действия в опорных конспектах, которые лежат у вас на парте. КПД обозначается греческой буквой «эта» η.
В каких единицах измеряется КПД?
– в процентах.
Сегодня вы выступите в роли ученых экспериментаторов и рассчитываете КПД простых механизмов: наклонной плоскости, подвижного и неподвижного блоков, рычага. Напомните мне, что нужно, чтобы провести исследование?
Выдвинуть гипотезу, провести эксперимент и проанализировать результаты.
(слайд 7) Все приборы, перед тем как попасть к вам на стол поступили в институт в коробках, на которых написано 100%, 120%, 30%, 80%. Определите в какой коробке лежали ваши приборы.
Ученики делают предположения. Допускают, что 120% – неверное значение и маркировщик сделал ошибку.
Какое значение КПД могут иметь простые механизмы?
– простой механизм не может иметь КПД больший 100%.
Это гипотеза нашего исследования. (на доске появляется запись гипотезы).
4. Проведение эксперимента (задания в выбором пути решения проблемы).
Работаем в группах, каждая из которых, решая свою задачу, доказывает гипотезу. Вы выбираете способ доказательства: экспериментальный метод или решение теоретической задачи. А ученики Т. и М. найдут КПД наклонной плоскости, используя виртуальный эксперимент. Результаты работы групп заслушаем и обсудим классом. А что нужно, чтобы работа вашей группы была успешной. В случае несогласия с выбором, как вы поступите?
Учащиеся выполняют работу (10 мин). (Приложение 1)
5. Анализ результатов.
Закончили эксперимент. Положили приборы. Приступим к анализу полученных результатов.
Учащиеся выходят и заполняют итоговую таблицу. (слайд 8)
После доклада результатов измерения КПД наклонной плоскости задать вопрос: Как вы думаете, что лучше использовать виртуальный эксперимент или физический? (доказательное высказывание своего мнения). Свое мнение.
В таблице записаны полученные результаты КПД всех механизмов.
У- Какой механизм обладает самым маленьким значением КПД? (наклонная плоскость)
А какой самым большим? (неподвижный блок)
Теперь оборудование разложим по коробкам. (слайд 9)
Выходит ученик, исправляет надписи на коробках, и проводит соответствие. 120% – такого КПД быть не может.
А механизм с КПД 100% существует, кто может назвать такой? Ученик, который является членом научного общества, получил задание найти такой механизм
– Сообщение учащегося: Я изучил этот вопрос: Механизм, КПД которого равен 100%, называется вечным двигателем. В природе их не существует, но делались попытки изобрести. …
В начале урока было показано три портрета: Архимед, Перт 1 и Гартнер. Гартнер – это мошенник-изобретатель, который якобы изобрел вечный двигатель и пытался его продать Петру 1 за 100 000 рублей. Логическая цепочка такая – Архимед изобрел простые механизмы, Петр 1 использовал их, а Гартнер – наживался на простых механизмах, используя доверчивость людей. Архимед спасал своего царя, а Гартнер чуть не погубил репутацию Петра 1.
Подведем итог урока. Я довольна работой всего класса, но особо отмечаю ….. (выставление оценок). А остальные ребята могут получить оценки за выполнение домашнего задания.
6. Домашнее задание (дифференцированный подход)
Еще больше узнать о вечном двигателе, вы можете, изучив этот вопрос дома. (слайд 15)
Поэтому домашнее задание следующее: Составьте не менее трех вопросов к § 61.
И задание на выбор: сообщение о моделях вечного двигателя. Придумать свою модель вечного двигателя.
Составить две задачи по теме КПД простого механизма.
7 Рефлексия. (слайд 16)
Ответьте вопрос: А я и не знал, что…
Я меня возникли трудности при…
Источник