Главная

Работа, механизмы и энергия: практикум

Физика · 7 класс. Практикум: разберите пример, выполните самопроверку и переходите к играм.

Равномерный подъём груза 8 килограммов на 3 метра за 5 секунд при g, равном 10, и КПД 60 процентов. Полезная работа 240 джоулей, затраченная 400, затраченная мощность 80 ватт.Подъём: 8 кг · 3 м · 5 сg = 10 Н/кг · КПД = 60% = 0,6Aпол = 8 × 10 × 3 = 240 ДжAзатр = 240 / 0,6 = 400 ДжNзатр = 400 / 5 = 80 Вт
КПД и время относятся к одному подъёму; полезное действие — увеличение высоты самого груза.

Работа выбранной силы

При постоянной силе по направлению прямолинейного перемещения A = Fs. Если тяга 30 Н переместила санки на 2 м, её работа 60 Дж. Это работа именно тяги: работа трения может быть отрицательной. При подъёме работа тяжести отрицательна и равна −mgh, если отсчёт относится к подъёму на h при постоянном g.

Мощность и время

Средняя мощность N = A/t, работа и время относятся к одному промежутку. Работа 200 Дж за 4 с означает 50 Вт. Если время дано в минутах, его переводят в секунды. Дж и Вт не взаимозаменяемы; при той же работе меньшее время означает большую среднюю мощность.

Рычаг и блоки

Для невесомого рычага с двумя противоположными моментами F₁l₁ = F₂l₂, других моментов нет. Плечо — перпендикулярное расстояние от опоры до линии силы. При 60 Н, плечах 10 и 50 см вторая сила 12 Н. Обычный идеальный неподвижный блок меняет направление тяги без выигрыша в силе; один невесомый подвижный блок с двумя вертикальными ветвями даёт F = P/2 и путь свободного конца s = 2h. Трения нет, нить невесома и нерастяжима.

КПД и затраченная мощность

КПД η = Aпол/Aзатр. Для подъёма груза 8 кг на 3 м за 5 с при g = 10 и КПД 60% полезная работа 240 Дж. Затраченная работа 240/0,6 = 400 Дж, средняя затраченная мощность 400/5 = 80 Вт. Полезная мощность при этом 48 Вт. Сначала решите, какую мощность спрашивают. Проценты в обратной формуле переводят в долю.

Энергия при падении

Кинетическая энергия поступательного движения Eк = mv²/2, потенциальная взаимодействия с Землёй Eп = mgh относительно выбранного нулевого уровня. При свободном полёте без сопротивления Eк + Eп сохраняется в школьной модели. Мяч 2 кг на высоте 3 м имел Eк = 10 Дж. На высоте 1 м Eк = 10 + 2 × 10 × (3 − 1) = 50 Дж. Ненулевую начальную энергию нельзя забыть.

Проверьте баланс

Идеальный механизм не даёт выигрыша в работе. У реального устройства затраты могут превышать полезную работу, а при трении механическая энергия может перейти во внутреннюю. Общая энергия не исчезает. Не применяйте сохранение механической энергии к движению с двигателем или трением без отдельного учёта внешней работы и переходов энергии.

Запомните: Различайте полезные и затраченные работу и мощность; проверяйте условия сохранения энергии.

Проверьте себя

Постоянная тяга 30 Н по прямому перемещению 2 м. Её работа?

60 Дж.

Механическая работа 200 Дж за 4 с. Средняя мощность?

50 Вт.

Невесомый рычаг: сила 60 Н с плечом 10 см уравновешена противоположным моментом силы с плечом 50 см. Других моментов нет. Вторая сила?

12 Н.

Полезная работа 120 Дж, затраченная 200 Дж. КПД?

60%.

Равномерный подъём 8 кг на 3 м за 5 с, g = 10, КПД 60%. Средняя затраченная мощность?

80 Вт. Полезная мощность 48 Вт.

Мяч 2 кг на высоте 3 м имеет Eк = 10 Дж. Без сопротивления опустился до 1 м; g = 10. Новая Eк?

50 Дж.

Выберите игру и уровень в практике по статье. В «Десанте» короткие вопросы и одно простое действие; составные задачи с переводом площади и объёма, нагрузкой корпуса и КПД решайте в других играх без спешки.