Урок по теме "Коэффициент полезного действия"

Урок № 40

Тема: : Коэффициент  полезного  действия

Цель  урока: Выяснить результативность простых механизмов при совершении работы.

обеспечить усвоение учащимися   важнейшей характеристики  машин и механизмов –КПД;

формировать умение находить КПД различных механизмов; обеспечить усвоение формулы для расчёта КПД при решении задач;

формировать у ребят умение осуществлять самоконтроль с помощью конкретных вопросов и использования дидактического материала.

Задача: Научится определять КПД простых механизмов.

Проблема: Научится отличать полезную работу от полной работы.

Ход урока:

I. Организационный этап

II. Этап постановки целей и задач урока

Учитель: На прошлых уроках мы познакомились с простыми механизмами, их примерами и использованием. Сегодня мы научимся рассчитывать их главную - характеристику КПД (коэффициент полезного действия) и измерим его на практике для наклонной плоскости.

III. Этап актуализации опорных знаний

Учитель: что называется просты механизмом? Учитель: какие простые механизмы вы знаете? Найдите их на рисунке. Учитель: что такое плечо силы и как его найти?  Учитель: Рабочему надо загрузить бочку с бензином в кузов грузовой автомашины. Чтобы просто поднять её, надо приложить очень большую силу – силу, равную силе тяжести (весу) бочки. Такую силу рабочий приложить не может. Как ему поступить?

Ученик: приспособление, служащее для преобразования силы Ученик: наклонная плоскость, рычаг, блок. ворот, клин, винт.(показывают на слайде) Ученик: кратчайшее расстояние между точками опоры и прямой, вдоль которой действует на рычаг сила. Чтобы найти плечо силы, надо из точки опоры опустить перпендикуляр на линию действия силы. Ученик: тогда он кладет две доски на край кузова и вкатывает бочку по образовавшейся наклонной плоскости, прикладывая силу, значительно меньшую, чем вес бочки!

IV. Этап изучения нового материала.

Учитель: Простые механизмы мы используем для совершения работы. Однако в реальных условиях, где есть силы трения, сопротивления для совершения необходимой нам работы  ( полезной работы Ап)  всегда требуется совершить большую работу. Затраченная работа всегда больше полезной Аз > Ап.

Известно, что вечный двигатель невозможен. Это связано с тем, что для любого механизма справедливо утверждение: совершённая с помощью этого механизма полная работа (в том числе на нагревание механизма и окружающей среды, на преодоление силы трения) всегда больше полезной работы.

Например, больше половины работы двигателя внутреннего сгорания совершается впустую тратится на нагревание составных частей двигателя; некоторое количество теплоты уносят выхлопные газы.

Часто необходимо оценивать эффективность механизма, целесообразность его использования. Поэтому, чтобы рассчитывать, какая часть от совершённой работы тратится впустую и какая часть с пользой,  вводится специальная физическая величина, которая показывает эффективность механизма.

Эта величина называется коэффициентом полезного действия механизма

Коэффициент полезного действия механизма равен отношению полезной работы к полной работе. Очевидно, коэффициент полезного действия всегда меньше единицы. Эту величину часто выражают в процентах. Обычно её обозначают греческой буквой η (читается «эта»). Сокращённо коэффициент полезного действия записывают КПД.

η = (А_полн /А_полезн) * 100 %,

где η -КПД, А_полн -полная работа, А_полезн -полезная работа.

Среди двигателей наибольший коэффициент полезного действия имеет электрический двигатель (до 98 %). Коэффициент полезного действия двигателей внутреннего сгорания 20 % - 40 %, паровой турбины примерно 30 %.

Отметим, что для увеличения коэффициента полезного действия механизма часто стараются уменьшить силу трения. Это можно сделать, используя различные смазки или шарикоподшипники, в которых трение скольжения заменяется трением качения.

Рассмотрим пример. На конец  плеча рычага подвешено тело массой m. К другому плечу прилагают силу F, направленную вниз, и его конец опускается на h. Найдите, на сколько поднялось тело, если коэффициент полезного действия рычага равен η %.

Решение. Найдём работу, совершённую  силой F:

A = Fh

 η % от этой работы совершено на то, чтобы поднять тело массой m. Следовательно, на поднятие тела затрачено  Fhη / 100. Так как вес тела равен mg, тело поднялось на высоту Fhη / 100 / mg.

Ответ: тело поднялось на высоту Fhη / 100 / mg.

IV. Закрепление материала.Решение задач

1.Задача

Ведро с песком  массой 24,5 поднимают при помощи неподвижного блока на высоту 10 м, действуя на веревку силой 250 Н .Вычислите КПД установки.

-Какую работу будем считать в задаче полезной?

-Полезной будем считать работу по подъему ведра с песком на

 высоту h.

-Какую работу будем считать затраченной?

-Затраченной будем считать работу по перемещению свободного

 конца веревки.

-Какой закон запишем первым в решении, используя алгоритм?

-Закон, определяющий КПД .

-Сравните расстояние, на которое перемещается ведерко с песком и

 свободны конец веревки.

-Расстояние, на которое перемещается ведерко с песком и свободный конец веревки равны.

После обсуждения решаем совместно с классом у доски

             Дано                   Решение:           Вычисления:

m = 24,5 кг       η = А_п /A_з *100%             F = 24,5кг * 9,8 Н /кг » 245 Н                   

h = 10 м                       А_п = P* h                 A_п = 245 Н* 10 м »  2450 Дж          

F = 250 H                    A_з  =F * h                 А_з =  250 Н* 10 м  =2500Дж

g = 9,8 H/кг                 F = m* g                   η= 2450 / 2500*100% » 98%        

                                     

η -?

                                           Ответ: η »  98%

2 Задача

Ящик с гвоздями масса которого 54 кг  поднимают , на пятый этаж строящегося дома при помощи подвижного блока , действуя на трос с силой 360 Н. Вычислите КПД установки.

-Какую работу будем считать в задаче полезной?

-Полезной будем считать работу по подъему ящика с гвоздями на

 высоту h.

-Какую работу будем считать затраченной?

-Затраченной будем считать работу по перемещению троса

-Какой закон запишем первым в решении, используя алгоритм?

-Закон, определяющий КПД .

-Сравните расстояние, на которое перемещается ящик с гвоздями и

 трос

-Расстояние на которое перемещается трос   ящик  в 2 раза больше 

 расстояния на которое смещается ящик с гвоздями .

После обсуждения решаем совместно с классом у доски.

            Дано                        Решение:           Вычисления:

m =54 кг                  η = А_п /A_з *100%         P = 54кг * 9,8 Н /кг » 540 Н                   

h₁ = Х м                           А_п = P* h ₁            η= 540 / 2*360 * 100% = 75%                                                                   

h₂₌  2*X м                       A_з  =F * h₂        

F = 360H                          Р = m* g           

g = 9,8 H/кг       η=P*  h ₁ / F * h₂ *100%=

                               P*X / F* 2X* 100%=                                               

                                      P/ 2 F* 100%

η -?                                                                 Ответ : η=75%   

3 Задача

При равномерном перемещении груза массой 15 кг по наклонной плоскости динамометр, привязанный к грузу , показывает силу , равную 40 Н. Вычислите КПД наклонной плоскости, если ее длина 1,8 м  , и высота 30см.

-Какую работу будем считать в задаче полезной?

-Полезной будем считать работу по подъему груза на

 высоту h.

-Какую работу будем считать затраченной?

-Затраченной будем считать работу по перемещению груза по длине

 наклонной плоскости S.

-Какой закон запишем первым в решении, используя алгоритм?

-Закон, определяющий КПД .

Учащиеся решают задачу после обсуждения самостоятельно

            Дано                                  Решение:           Вычисления:

  m = 15 кг               η = А_п /A_з  * 100%    F = 15кг * 9,8 Н /кг » 150 Н                   

h=30 см=0,3м                       А_п = P* h     A_п = 150 Н* 0, 3см »  45 Дж          

F = 40 H                                Р = m* g      А_з =  40 Н* 1,8м  =72 Дж

S=1,8  м                                A_з  =F * S     η = 45 / 72 * 100%  » 62,5 %

g = 9,8 H/кг                                            

                                     

η -?

                                          Ответ : η= 62,5%

Решить задачу без объяснения.

4.Задача

Неподвижным  блоком равномерно поднимают груз массой 72кг на высоту 2м, затрачивая при этом  работу 1600 Дж Вычислите КПД блока.

Дано                                  Решение:           Вычисления:

m = 72 кг               η = А_п /A_з *100%        F = 72кг * 9,8 Н /кг » 720 Н                   

 h  =  2 м                       А_п = P* h                 A_п = 720 Н* 2 м » !440 Дж          

А_з =1600H                                                 η= 1440 / 1600*100% » 90%

g = 9,8 H/кг                  F = m* g                           

                                     

η -?

                                           Ответ: η »  90%

V.  Подведение итога урока (1 мин)

Ребята, что нам удалось сегодня на уроке сделать? (Учащиеся подводят итог).Кто хочет высказать особое мнение? Спасибо за работу всем, но особенно плодотворно работали …

Выходя из кабинета, оцените сами свою работу на уроке, решите, было ли вам ИНТЕРЕСНО, все ли было ПОНЯТНО, все ли усвоено?