Как найти коэффициент полезного действия наклонной
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ ОТ УГЛА ЕЕ НАКЛОНА
КАЧЕСТВЕННОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОДЪЕМА ТЕЛА ПО ШЕРОХОВАТОЙ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ
Наклонная плоскость относится к числу простых механизмов. Для идеальной наклонной плоскости без трения справедливо “золотое правило механики”: совершая механическую работу, мы можем получить выигрыш в силе во столько раз, во сколько раз проиграем в пути:
Однако реальные наклонные плоскости оказывают сопротивление движению тел и, втягивая по ним эти тела, необходимо совершать дополнительную работу против сил трения. Если сила тяги при этом все равно оказывается существенно меньше силы тяжести, действующей на тело, то применять наклонную плоскость выгодно, хотя совершаемая работа превышает изменение потенциальной энергии тела.
Физическая величина, показывающая какую долю составляет полезная работа, необходимая для поднятия груза на высоту , от полной работы, совершенной при движении этого груза по наклонной плоскости длины , носит название коэффициента полезного действия наклонной плоскости () :
При наличии силы трения
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПОДЪЕМА ТЕЛА
ПО ШЕРОХОВАТОЙ НАКЛОННОЙ ПЛОСКОСТИ
;
;
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Экспериментально установить зависимость коэффициента полезного действия наклонной плоскости от угла ее наклона. Сравнить полученные результаты с теоретическими.
ИДЕЯ РАБОТЫ
Согласно формуле коэффициент полезного действия наклонной плоскости не должен зависеть от массы поднимаемого груза, но должен зависеть от угла наклона плоскости и коэффициента трения скольжения.
Чтобы исследовать интересующие нас зависимости, необходимо изменяя один из параметров(в нашем случае, угол наклона плоскости), оставлять остальные постоянными (в нашем случае, массу поднимаемого груза, род соприкасающихся поверхностей).
Таким образом, чтобы установить зависимость КПД от угла наклона плоскости, необходимо поднимать на наклоненную под разными углами плоскость одно и то же тело.
Для расчета значения коэффициента полезного действия наклонной плоскости необходимо будет воспользоваться формулой:
(**)
где: — масса поднимаемого по плоскости груза;
— высота наклонной плоскости;
— длина наклонной плоскости;
— сила тяги, необходимая для равномерного движения
тела вверх вдоль наклонной плоскости.
ОСОБЕННОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
И ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. При втягивании груза на наклонную плоскость следует следить, чтобы показания динамометра были примерно постоянными, значение силы, фиксируемой им, изменялось не скачкообразно (т. е. тянуть груз нужно равномерно).
2. В опытах при измерении силы тяги следует пользоваться чувствительным динамометром. Предварительно необходимо определить цену его деления.
Если динамометр предназначен не только для измерения сил, но и масс тел, то, возможно, что шкала его проградуирована в единицах массы – граммах.
Осуществляя перевод показаний в ньютоны, следует исходить из соотношений: ; 1Н=0,1кг · 9,8м/с2.
На тело массой 100 г приближенно действует сила тяжести 1 Н.
На тело массой 50 г приближенно действует сила тяжести 0,5 Н.
3. Для получения хороших значений КПД целесообразно использовать значительно отличающиеся друг от друга значения высот наклонной плоскости и масс поднимаемого груза. Чем больше будет разница между этими величинами, тем яснее представится зависимость КПД от соответствующих параметров.
4. Чтобы брусок не переворачивался при движении, ведерко с грузом лучше устанавливать в крайнее отверстие бруска (как показано на схеме):
Если ведерко выскакивает из отверстия, можно закрепить его пластилином.
ЗАДАНИЯ
1. Изготовьте из предложенного оборудования наклонную плоскость, как показано на рисунке. В качестве поднимаемого тела используйте брусок.
2. Исследуйте зависимость КПД наклонной плоскости от угла ее наклона, вычислив его по формуле (**).
Данные занесите в таблицу:
угол наклона ллоскости , град | масса бруска , кг | высота накл. плоск., м | длина плоск. , м | сила тяги , Н | |
3. Постройте экспериментальный график зависимости КПД от угла наклона плоскости.
, град | |
4. Найдите теоретическую зависимость КПД наклонной плоскости от угла ее наклона, вычислив КПД по формуле (*). Данные заносите в таблицу:
5. Постройте теоретический график зависимости КПД от угла наклона плоскости.
6. Сделайте выводы.
7. Объясните полученные результаты.
Исследование трудно, однако приятно и полезно.
Покажите мне, и я запомню.
Дайте мне действовать самому, и я научусь!
Тема урока: Определение КПД при
подъеме тела по наклонной плоскости.
Цели урока: убедиться на опытах, что
полезная работа, выполненная с помощью наклонной
плоскости меньше полной работы. Определить КПД.
Задачи урока:
- Сформировать представление о том, что простые
механизмы (наклонная плоскость, клин, блоки,
рычаг) использовались в древности и сейчас. - Создать условия для развития личности учеников
в процессе их деятельности. - Способствовать развитию практических навыков и
умений. - Научить выделять главное, сравнивать, развить
способности к обобщению, систематизации
полученных знаний. Формировать умение работать в
паре.
Тип урока: урок отработки
специальных умений и навыков.
Форма урока: исследовательская
работа учащихся
Оборудование: компьютер, динамометр,
трибометр, брусок, набор грузов, штатив с муфтой и
лапкой, метр.
Ход урока
1. Организационный момент. Актуализация знаний.
Какие простые механизмы
использовались при строительстве пирамид? (Клин,
блок, наклонная плоскость, рычаг.)
Какие простые механизмы имеются в
башенном кране? Тест слайды.
Презентация, слайд 1-3.
2. Постановка цели и задач урока: проблемная
ситуация.
Купили пианино, которое нужно
доставить на третий этаж. (Вывожу детей на
постановку цели и задач, обсуждаем, мотивирую
через новый проблемный вопрос:
Вы строите дом, что служит вам для
подъема тяжелых строительных материалов? Как
необходимо установить наклонную плоскость,
чтобы КПД ее был равен 100%?).
Сегодня на уроке мы должны провести
исследование. Как вы считает, что будет предметом
нашего исследования?
Предмет исследования: наклонная
плоскость.
Цель исследования: Выявить чему
равна полезная работа и затраченная, рассчитать
КПД установки.
Задачи исследования:
- Рассчитать полезную работу.
- Рассчитать затраченную работу.
- Сравнить совершенную и полезную работы.
- Рассчитать КПД.
- При увеличении крутизны наклонной плоскости,
как изменяется КПД.
Способы исследования:
- Наблюдение.
- Измерение и расчеты.
- Анализ, сравнение.
- Обобщение.
3. Инструктаж по выполнению работы.
Слайды 4 -11
1. Закрепите трибометр в лапке штатива,
которая находится на высоте Н (м).
2.Определите динамометром вес бруска Р
(Н).
3.Положите брусок на трибометр и
динамометром тяните его равномерно вверх вдоль
наклонной плоскости с силой F (Н).
4.Вычислите коэффициент полезного
действия наклонной плоскости.
5.Измените угол наклона трибометра.
Определите КПД наклонной плоскости. Сделайте
вывод о зависимости наклонной плоскости от угла
ее наклона.
4. Форма организации деятельности учащихся:
учащихся.
Гипотеза: если увеличить крутизну
наклонной плоскости, то КПД увеличится.
Проблемный вопрос: применение
наклонной плоскости в жизни, во сколько раз
выигрываем в силе, во столько же раз проигрываем
в расстоянии, а дает ли этот механизм выигрыш в
работе?
5. Оформление результатов работы.
h,м | Р, Н | Ап, Дж Ап=Ph | s, м | F,H | Аз, Дж Аз =Fs | = Ап/ Азx100% |
6. Выводы.
В конце исследования сформулированы
выводы: КПД любого механизма всегда меньше 100%.
Конструируя механизмы, стремятся увеличить их
КПД. Для этого уменьшают трение в осях механизмов
и их вес. На практике совершенная с помощью
механизма полная работа всегда несколько больше
полезной работы. Гипотеза подтвердилась: при
увеличении крутизны наклонной плоскости КПД
увеличился.
Наклонная плоскость дает выигрыш в
силе. Выполняется Золотое правило механики. Мне
понравилось измерять КПД наклонной плоскости. Я
убедилась, что с помощью наклонной плоскости
легче поднимать грузы.
7. Рефлексия
Главным для меня было…
За этот час я понял…
Мне понравилось…
8. Задание на дом: § 61, задача стр. 151
Инвидуальные задания.
1. Построить проект пирамиды и провести
исследования в ней – проектная работа.
2. Энергетика пирамид – исследовательская
работа.
Приложение
| Предмет: | Физика. |
| Класс: | 7 класс. |
| Учебник: | Перышкин, А. В. Физика. 7 кл. [Текст] : учеб. для общеобразоват. учебн. заведений / А. В. Перышкин, – М. : Дрофа, 2010. – 192 с. |
| Тема урока: | Определение коэффициента полезного действия наклонной плоскости. |
| Цель урока: | Знакомство обучающихся с новой физической величиной – коэффициентом полезного действия механизма. |
| Задачи урока: | Обучающие:
Развивающие:
Воспитательные:
|
| Планируемые результаты: | Предметные: обучающиеся научатся измерять характеристики наклонной плоскости, рассчитывать полезную и затраченную работу, КПД простого механизма; выяснят, что полезная работа всегда меньше затраченной и, следовательно, КПД меньше 100 % и не зависит от веса поднимаемого тела, но его можно увеличить, увеличивая угол наклона плоскости к горизонту. Формируемые
|
| Тип урока: | Урок отработки специальных умений и навыков. |
| Форма урока: | Исследовательская работа обучающихся. |
| Оборудование: |
|
| Материалы к уроку |
|
| Авторский медиапродукт: |
|
| Программное обеспечение: | MS Office 2010, KMPlayer или другая программа, поддерживающая файлы с расширением swf. |
Сценарий урока состоит из семи этапов.
1. Организационный (2 мин.): Учитель
отмечает отсутствующих на уроке обучающихся,
напоминает присутствующим на уроке, что они
продолжают изучать простые механизмы и уже знают
их определение, виды, «Золотое правило» механики,
правило равновесия рычага, а сегодня ребята
могут познакомиться еще с одной характеристикой
простого механизма, но после того, как откроют
закрытое пазлами послание.
2. Актуализация знаний (8 мин.):
Учитель выводит на экран слайд 2 презентации к
уроку «Определение коэффициента полезного
действия наклонной плоскости». Программа
составлена следующим образом: по щелчку мыши,
точно подведенной к номеру вопроса, раскрывается
слайд с самим вопросом, на нем размещается текст
вопроса. Проверить правильность ответа можно по
щелчку мыши. По управляющей кнопке можно
вернуться на слайд № 2. Щелчком мыши по полю
правильно отвеченного вопроса пазл убирается и
открывается часть послания. Выбирается
следующий вопрос и все повторяется. Интереснее
выбирать вопросы в произвольной
последовательности. После ответа на последний
вопрос на экране открывается послание ребятам:
«Скажи мне – и я забуду. Покажи мне – и я запомню.
Дай мне действовать самому – и я научусь!».
3. Создание проблемной ситуации (4 мин.):
Учитель создает и предлагает обучающимся найти
выход из проблемной ситуации: рабочему
необходимо загрузить тяжелую бочку на корабль,
но чтобы это сделать, надо приложить очень
большую силу – силу, равную весу бочки. Такую
силу рабочий приложить не может. Ребята
предлагают применить наклонную плоскость. Учитель
выводит на экран слайд 3 презентации к уроку
«Определение коэффициента полезного действия
наклонной плоскости» (на него вставлена
flash-модель Единой коллекции ЦОР «Простые
механизмы. Наклонная плоскость»), раскрывает
сцену 5. задает вопрос: только ли на подъем
груза расходуется затраченная рабочим энергия?
Обучающиеся предполагают, что часть энергии
расходуется на преодоление силы трения. Учитель
выводит на экран слайд 4 презентации к уроку
«Определение коэффициента полезного действия
наклонной плоскости», (на него вставлена
flash-модель Единой коллекции ЦОР «Коэффициент
полезного действия механизма»), раскрывает сцену
3. Обсуждается вопрос о возможности разного
соотношения работы, совершенной механизмом, и
энергии, которая расходуется на преодоление силы
трения. Ученики выдвигают предположения о
существовании физической величины,
характеризующей эффективность простого
механизма.
4. Изучение нового материала (8 мин.):
Учитель демонстрирует подъем тела с помощью
наклонной плоскости, измеряет вес тела и силу
трения, высоту и длину наклонной плоскости.
Обучающиеся сравнивают вес тела с силой трения,
высоту наклонной плоскости с ее длиной, делают
вывод о выигрыше в силе и проигрыше в расстоянии
при использовании наклонной плоскости.
Учитель выводит на экран слайды 5-6
презентации к уроку «Определение коэффициента
полезного действия наклонной плоскости», дает
характеристику КПД простого механизма.
Обучающиеся выполняют чертеж наклонной
плоскости с обозначением ее длины, высоты,
записывают определение и расчетную формулу КПД
простого механизма.
5. Исследовательская практическая работа
(17 мин.): Учитель организует обсуждение плана
исследования. Обучающиеся составляют план и
последовательность действий для определения КПД
наклонной плоскости:
- Измерить вес бруска (Р).
- Измерить высоту наклонной плоскости (h).
- Рассчитать полезную работу по формуле
- Измерить силу трения (Fтр).
- Измерить длину наклонной плоскости (l).
- Рассчитать затраченную работу по формуле
- Рассчитать КПД наклонной плоскости по
формуле
Учитель выводит на экран слайды 7-11 презентации
к уроку «Определение коэффициента полезного
действия наклонной плоскости», проводит
инструктаж по безопасному выполнению
лабораторной работы, формулирует проблемный
вопрос: от каких параметров зависит КПД
наклонной плоскости. Обучающиеся
самостоятельно формулируют познавательную
задачу: проверить как зависит КПД наклонной
плоскости от веса поднимаемого тела и угла
наклонной плоскости? Выдвигают гипотезу: КПД
наклонной плоскости зависит от угла наклона и не
зависит от веса поднимаемого тела.
Учитель раздает ученикам комплекты приборов
для выполнения лабораторной работы, инструкцию
по охране труда (Приложение
1), технологическую карту выполнения
лабораторной работы № 14 «Измерение
КПД при подъеме тела по наклонной плоскости» (Приложение 2),
оказывает помощь группам обучающихся в
выполнении работы. Обучающиеся выполняют
лабораторную работу при разном угле наклона
плоскости к горизонту и разном весе поднимаемого
груга.
6. Рефлексия (4 мин.): Обучающиеся
оценивают и анализируют полученные результаты
работы: Ап должна быть меньше Аз; высота
наклонной плоскости должна быть меньше ее длины,
полученный КПД должен быть меньше 100%. Если
полученный результат не верен, находят ошибку в
измерении или расчетах. Оформляют результаты
работы, делают вывод: в ходе лабораторной работы
КПД наклонной плоскости при угле наклона 20° к
горизонту оказался равным 45%, он всегда меньше
100%, зависит от угла наклона (чем больше угол
наклона плоскости, тем больше ее КПД) и не зависит
от веса поднимаемого тела.
7. Домашнее задание (2 мин.): Учитель
выводит на экран слайд 12 презентации к уроку
«Определение коэффициента полезного действия
наклонной плоскости», озвучивает,
комментирует, дает рекомендации по
эффективному выполнению домашнего задания:
- § 61;
- Подготовить сообщения (по желанию):
- Простые механизмы дома, на даче.
- Простые механизмы в строительстве.
- Простые механизмы и тело человека.
Адреса используемых ресурсов Интернет
- https://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669b5266-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/5_8.swf
- https://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/669b526a-e921-11dc-95ff-0800200c9a66/5_
12.swf