Урок по теме «Мощность»

Тип урока: Комбинированный урок.

Методы урока: Рассказ, эвристическая беседа,  упражнение, тест.

Просмотр содержимого документа

«Урок по теме «Мощность»»

Тема: Мощность.

Цели урока: Образовательная: ввести понятие мощности, как быстроту совершения работы, ввести формулу мощности, формировать умение использовать данную формулу для решения задач.

Развивающая: развитие умения правильно анализировать, сопоставлять, обобщать, развитие умения переносить знания в иную ситуацию, развитие интереса к природе и физике, как науке, изучающей природу.

Воспитательная: воспитание культуры мышления на уроках физик, формирование мировоззренческих идей о материальности и познаваемости окружающего мира.

Тип урока: Комбинированный урок.

Методы урока: Рассказ, эвристическая беседа, упражнение, тест.

Оборудование:

Этапы урока:

1. Оргмомент

2. Проверка домашнего задания.

3. Изучение нового материала.

4. Первичное закрепление.

5. Проверка домашнего задания.

6. Рефлексия

7. Домашнее задание.

Тестирование

определение + формула для вычисления через сопротивление

Содержание

1. Общие понятия электрической мощности
2. Определение
3. Единицы измерения
4. Формула расчета
5. Свойства
6. Связь электрической мощности с напряжением и силой тока
7. Понятие эффективной мощности и ее значение в электротехнике
8. Влияние электрической мощности на нагрузку
9. Методы измерения электрической мощности
10. Примеры определения мощности тока в электрических системах

Понятие электрической мощности (отдаваемой источником и потребляемой нагрузкой) является одним из самых важных в электротехнике, наряду с напряжением и током. Более того, эта величина объединяет и связывает эти два самых распространенных термина.

Общие понятия электрической мощности

Чтоб понять методы измерения и практического применения этой электрической величины, надо разобраться с теоретическими аспектами.

Определение

При протекании электрического тока по проводнику происходит перенос заряда. В процессе этого переноса электрический ток совершает работу по преодолению взаимодействия носителей заряда с другими частицами вещества. Это взаимодействие проявляется в нагреве проводника, световом излучении, химическом действии тока и т.д.

Чем большую работу производит электрический ток за один и тот же промежуток времени, тем большая электрическая мощность потребовалась для производства этой работы. Отсюда определение мощности – она равна работе электрического тока за промежуток времени, отнесенной к длительности этого промежутка.

Единицы измерения

Единица электрической мощности, принятая в СИ – 1 Ватт. При этой мощности за 1 секунду совершается работа в 1 Джоуль. В различных случаях удобнее применять дольные и кратные единицы:

• киловатт – 1000 ватт;
• мегаватт — 1 миллион ватт;
• милливатт – 0,001 ватт;
• другие единицы с соответствующими приставками.

Для обозначения мощности (как электрической, так и механической, и любой другой) используется латинская буква P.

Раньше для измерения электрической мощности применялись и внесистемные единицы (включая лошадиную силу). На сегодняшний день они практически вышли из употребления.

В цепях переменного тока, помимо активной мощности, измеряемой в ваттах, измеряют и другие виды электрической мощности – полную (в ВА – вольтамперах) и реактивную (в ВАр – вольтамперах реактивных). Их соотношение с активной мощностью зависит от величиныя и знака реактивности у нагрузки.

Сдвиг фаз при индуктивной нагрузке надо учитывать при замерах мощности

Формула расчета

Формула расчета следует из определения электрической мощности – надо совершенную током работу (в джоулях) разделить на время (в секундах), в течение которого совершена эта работа: P=A/t.

Если исходить из того, что мощность – это скорость преобразования энергии, можно вычислить искомую величину, как Р=E/t, где:

• E – потребленная (преобразованная) энергия;
• t – промежуток времени, в течение которого происходил расход электрической энергии.

Эта формула на практике применяется нечасто.

Свойства

В практической электротехнике используются некоторые свойства электрической мощности, позволяющие облегчить измерения и упростить измерительные приборы.

Связь электрической мощности с напряжением и силой тока

В реальности формула, использующая отношение работы ко времени ее совершения не используется. Это связано со сложностью непосредственного измерения работы и с неудобством контроля времени. Но если учесть, что работу электрического тока можно вычислить по формуле A=U*I*t, то легко представить формулу для вычисления мощности, как P=U*I*t/t=U*I.

Если известна лишь одна из величин (ток или напряжение), но при этом известно сопротивление нагрузки, формулу легко видоизменить, подставляя в нее низвестную величину, преобразованную по закону Ома (I=U/R). Например, если неизвестен ток, мощность вычисляется, как Р= U*I=U*U/R=U²/R.

Понятие эффективной мощности и ее значение в электротехнике

В электротехнике, как и в механике, существует понятие эффективной мощности. Дело в том, что электрическая мощность подается потребителю не напрямую от сети, а после преобразования (через трансформаторный блок питания, импульсный БП или другое устройство). При преобразовании происходят неизбежные потери мощности, которые зависят от КПД преобразующего устройства.

Естественно, от сети преобразователь потребляет больше, чем отдает в нагрузку, поэтому потребляемая мощность не всегда дает представление о том, возможно ли питание нагрузки от данного преобразователя. Полную информацию дает значение эффективной мощности. Если производитель БП ее не дает, эту величину можно вычислить (или хотя бы оценить) по формуле Рэфф=Pпотр/η, где:

• Рэфф – эффективная мощность, вт;
• Рпотр – мощность, потребляемая из сети, вт;
• η – КПД.

КПД различных преобразующих устройств можно найти в технической литературе.

Влияние электрической мощности на нагрузку

Понятие потребления электрической мощности подразумевает наличие источника этой мощности и ее потребителя. Источник мощности должен как минимум обеспечивать потребление нагрузки плюс потери при транспортировке (нагрев проводов, падение напряжения и т.п.). В противном случае потребитель недополучит электрическую энергию и не сможет произвести работу, которую от него требуется.

Мнение эксперта

Становой Алексей

Инженер-электроник. Работаю в мастерской по ремонту бытовых приборов. Увлекаюсь схемотехникой.

Задать вопрос

В интернете можно найти утверждения, что мощность источника не должна превышать мощность нагрузки, иначе произойдет авария. Конечно же, это не так. Нагрузка, рассчитанная на штатное напряжение источника, будет потреблять ровно ту мощность, на которую рассчитана. Лампочка на 40 ватт спокойно работает при питании от трансформатора, мощностью 400 кВт, который питается от другого трансформатора мощностью 5000 кВт, а в главе цепочки стоит генератор атомной электростанции мощностью 1000 МВт. Другое дело, что на лампочку нельзя подавать напряжение, выше 220 В, иначе ток превысит допустимое значение и действительно произойдет авария. Но этот вопрос лежит несколько в другой плоскости.

Методы измерения электрической мощности

Как показано выше, для вычисления электрической мощности достаточно знать ток и напряжение. Для замеров можно использовать амперметр и вольтметр, перемножив их показания.

Принцип измерения электрической мощности

А можно использовать специальный прибор – ваттметр, который замеряет обе величины одновременно и перемножает их. Классический ваттметр электродинамической системы состоит из двух катушек, подвижной и неподвижной. Эти катушки включаются на измерение напряжения и тока, соответственно, параллельно и последовательно с нагрузкой.

Два варианта включения ваттметра

При прохождении тока и подаче напряжения обе катушки создают магнитные поля, которые взаимодействуют между собой в определенном направлении. Результирующий вращающий момент пропорционален мощности электрического тока (происходит перемножение величин механическим способом), и он ведет к отклонению стрелки, прикреплённой к подвижной катушке, на определенный угол. Этот угол можно считать по шкале, которая обычно градуируется сразу в единицах мощности.

В современных цифровых измерителях мощности используется тот же принцип, только ток измеряется другим способом. Последовательно с нагрузкой включается шунтовой резистор. Он имеет небольшое сопротивление, и на нагрузку практически не влияет. Когда через шунт идет ток, на нем падает небольшое напряжение, которое, как следует из закона Ома, прямо пропорционально протекающему току. Это напряжение измеряется и пересчитывается в ток.

Замеренные ток и напряжение перемножаются, пересчитываются в мощность (при этом учитывается угол сдвига между током и напряжением), масштабируются и выводятся на дисплей в удобной для восприятия форме.

Измерить среднюю потребляемую мощность за определенный промежуток времени можно с помощью счетчика электрической энергии. Для этого надо воспользоваться формулой P=∆E/t. Здесь ∆E – разница в показаниях счетчика за период времени, а t – длительность этого периода.

Измерение тока в цифровом ваттметре

Таким способом можно измерить электрическую мощность в цепях постоянного тока. В цепях переменного тока подобным методом измеряется так называемая полная мощность (без учета сдвига фаз между током и напряжением), что не всегда информативно.

Рекомендуем прочесть:

• Как замерить ампераж тока мультиметром
• Как найти силу тока по формулам и приборам

Примеры определения мощности тока в электрических системах

Самый тривиальный случай измерения мощности – если у источника электрической энергии (блока питания и т.п.) имеется амперметр и вольтметр. Тогда достаточно перемножить измеренные значения. Например, на фото показан измерительный прибор блока питания. По формуле P=U*I легко определить, что мощность постоянного тока, отдаваемая источником (и потребляемая нагрузкой) равна P=12,4 В х 0,1 А=1,24 ватта.

По индицируемым значениям тока и напряжения можно вычислить мощность

Если надо постоянно контролировать мощность, лучше установить стационарный ваттметр. С него можно в любое время считать показания и использовать их для анализа и расчетов.

Щитовой стационарный трехфазный ваттметр

Существуют и бытовые измерители мощности. Они включаются в обычную бытовую розетку 220 вольт, а уже в розетку прибора включается нагрузка. Это может быть компьютер, настольная или напольная лампа – любой бытовой электроприбор.

Внутренняя схема бытового ваттметра

Ваттметр может собирать статистику замеров за определенный временной период, обрабатывать показания, при необходимости выдавать на дисплей значения других электрических величин (тока, напряжения). С его помощью можно измерить фактическую мощность бытовых электроприборов и оценить их энергопотребление. Проанализировав режимы работы, можно оптимизировать затраты на оплату электрической энергии.

Измерение мощности ноутбука в режиме реального времени

Разобравшись с понятием и сущностью электрической мощности, можно использовать его не только в теории, но и на практике. Например, знание фактической потребляемой мощности потребителей поможет минимизировать платежи за электроэнергию.

Мощность

Количественная работа связана с силой, вызывающей перемещение. Работа не имеет ничего общего с количеством времени, в течение которого эта сила действует, вызывая смещение. Иногда работа выполняется очень быстро, а иногда работа выполняется довольно медленно. Например, скалолазу требуется аномально много времени, чтобы поднять свое тело на несколько метров вверх по склону утеса. С другой стороны, турист (который выбирает более легкий путь в гору) может поднять свое тело на несколько метров за короткий промежуток времени. Два человека могут выполнить один и тот же объем работы, но турист сделает ее за значительно меньшее время, чем скалолаз. Величина, связанная со скоростью, с которой выполняется определенный объем работы, называется мощностью. У туриста больше номинальная мощность , чем скалолаз.

Мощность — это скорость выполнения работы. Это соотношение работа/время. Математически это вычисляется с использованием следующего уравнения.

. Как следует из уравнения мощности, единица мощности эквивалентна единице работы, деленной на единицу времени. Таким образом, ватт эквивалентен джоулю в секунду. По историческим причинам л.с. иногда используется для описания мощности, выдаваемой машиной. Одна лошадиная сила эквивалентна примерно 750 Вт.

Большинство машин спроектированы и изготовлены для работы с объектами. Все машины обычно описываются номинальной мощностью. Номинальная мощность указывает скорость, с которой эта машина может работать с другими объектами. Таким образом, мощность машины — это отношение работы к времени для этой конкретной машины. Автомобильный двигатель является примером машины, которой присваивается номинальная мощность. Номинальная мощность относится к тому, насколько быстро автомобиль может разогнать автомобиль. Предположим, что двигатель мощностью 40 лошадиных сил может разогнать автомобиль с 0 до 60 миль/ч за 16 секунд. Если бы это было так, то автомобиль, мощность которого в четыре раза превышала бы мощность, мог бы выполнить тот же объем работы за четверть времени. То есть 160-сильный двигатель мог разогнать тот же автомобиль с 0 до 60 миль/ч за 4 секунды. Дело в том, что при одном и том же объеме работы мощность и время обратно пропорциональны. Уравнение мощности предполагает, что более мощный двигатель может выполнить тот же объем работы за меньшее время.

Человек также является машиной с номинальной мощностью . Некоторые люди обладают большей силой, чем другие. То есть некоторые люди способны выполнять тот же объем работы за меньшее время или больший объем работы за то же время. Обычная физическая лаборатория включает в себя быстрый подъем по лестнице и использование информации о массе, росте и времени для определения личной силы студента. Несмотря на диагональное движение по лестнице, часто предполагается, что горизонтальное движение является постоянным, и вся сила от ступеней используется для подъема ученика вверх с постоянной скоростью. Таким образом, вес ученика равен силе, совершающей работу над учеником, а высота лестницы — смещению вверх. Предположим, что Бен Пумпинирон поднимает свое 80-килограммовое тело по 2,0-метровой лестнице за 1,8 секунды. Если бы это было так, то мы могли бы вычислить 9 Бена.0003 номинальная мощность . Можно предположить, что Бен должен приложить к лестнице направленную вниз силу в 800 ньютонов, чтобы поднять свое тело. При этом лестница будет толкать тело Бена вверх с достаточной силой, чтобы поднять его тело вверх по лестнице. Также можно предположить, что угол между силой лестницы, действующей на Бена, и смещением Бена равен 0 градусов. С этими двумя приближениями номинальная мощность Бена может быть определена, как показано ниже.

Мощность Бена составляет 871 Вт. Он довольно лошадь .

Другая формула мощности

Выражением мощности является работа/время. А поскольку выражение для работы есть сила*смещение, выражение для мощности можно переписать как (сила*смещение)/время. Поскольку выражение для скорости есть перемещение/время, выражение для мощности можно еще раз переписать как сила*скорость. Это показано ниже.

Это новое уравнение для мощности показывает, что мощная машина одновременно мощная (большая сила) и быстрая (большая скорость). Мощный автомобильный двигатель силен и быстр. Мощная сельскохозяйственная техника надежна и быстра. Мощный тяжелоатлет силен и быстр. Сильный лайнсмен в футбольной команде силен и быстр. А 9Машина 0003 , которая достаточно мощна, чтобы приложить большую силу, чтобы вызвать перемещение за небольшой промежуток времени (т. е. с большой скоростью), является мощной машиной.

Используйте свое понимание работы и мощности, чтобы ответить на следующие вопросы. Когда закончите, нажмите кнопку, чтобы просмотреть ответы.

1. Два студента-физика, Уилл Н. Эндэйбл и Бен Пампинирон, в зале тяжелой атлетики. Уилл поднимает над головой 100-фунтовую штангу 10 раз за одну минуту; Бен поднимает 100-фунтовую штангу над головой 10 раз за 10 секунд. Кто из учеников больше всего работает? ______________ Кто из учеников проявляет наибольшую силу? ______________ Объясните свои ответы.

2. Во время физического кабинета Джек и Джилл взбежали на холм. Джек вдвое массивнее Джилл; однако Джилл преодолевает то же расстояние вдвое быстрее. Кто работал больше всех? ______________ Кто приложил больше всего усилий? ______________ Объясните свои ответы.

3. Усталая белка (массой около 1 кг) отжимается, прикладывая силу, поднимающую ее центр масс на 5 см, чтобы совершить работу всего лишь в 0,50 Дж. Если усталая белка проделает всю эту работу за 2 секунды, то определите ее мощность.

4. Выполняя подтягивание , студентка-физик поднимает свое тело массой 42,0 кг на расстояние 0,25 метра за 2 секунды. Какую силу развивают бицепсы студента?

5. Ежемесячный счет за электричество в вашей семье часто выражается в киловатт-часах. Один киловатт-час – это количество энергии, отдаваемое потоком 1 киловатт электроэнергии за один час. Используйте коэффициенты преобразования, чтобы показать, сколько джоулей энергии вы получаете, когда покупаете 1 киловатт-час электроэнергии.

6. Эскалатор используется для перемещения 20 пассажиров каждую минуту с первого этажа универмага на второй. Второй этаж расположен на 5,20 м выше первого этажа. Средняя масса пассажира 54,9 кг. Определить мощность эскалатора, необходимую для перемещения такого количества пассажиров за это время.

Перейти к следующему уроку:

Калькулятор работы и мощности

Создано Bogna Szyk

Отзыв Стивена Вудинга

Последнее обновление: 23 декабря 2022 г.

Содержание:

• Определение работы
• Определение мощности
• Как рассчитать мощность с помощью калькулятор работы и мощности
• Часто задаваемые вопросы

Этот калькулятор работы и мощности поможет вам определить механическую мощность конкретного устройства. Вы также можете использовать его, чтобы узнать, какую работу будет выполнять машина данной мощности за определенный промежуток времени.

Если вы хотите рассчитать электрическую мощность, попробуйте наш калькулятор закона Ома.

Определение работы

В физике работа, совершаемая объектом, понимается как количество энергии, которое необходимо приложить для перемещения на определенное расстояние. Например, это может быть энергия, необходимая для подъема по лестнице тяжелых сумок, или кинетическая энергия, приводящая к движению тела (как описано в калькуляторе кинетической энергии).

Как правило, рассчитывается как сила, умноженная на смещение объект перемещается. Точнее говоря, это скалярное произведение этих двух величин. Измеряется в джоулях (Дж), выражается как кг·м²/с² в единицах СИ или киловатт-часах (кВтч).

Определение мощности

Мощность – это скорость изменения работы или количество работы, выполненной за определенный промежуток времени. Чем выше мощность устройства, тем больше работы оно может выполнить за заданный период времени. Измеряется в ваттах (Вт), что эквивалентно кг·м²/с³ в единицах СИ.

Как рассчитать мощность с помощью калькулятора работы и мощности

1. Определить значение работы. Вы можете либо напрямую ввести это значение в наш калькулятор, либо использовать расширенный режим , чтобы найти его на основе силы и перемещения. В этом примере мы примем Вт = 9000 Дж .
2. Определите время , за которое будет выполнена работа. Здесь мы можем взять t = 60 с .
3. Мощность равна работе, деленной на время . В этом примере P = 9000 Дж/60 с = 150 Вт .
4. Вы также можете использовать наш калькулятор мощности для поиска работы – просто введите значения мощности и времени .

Чтобы узнать о некоторых реальных применениях энергии, воспользуйтесь калькулятором циклической мощности!

Часто задаваемые вопросы

Как вы считаете время от питания и работы?

Так как мощность равна работе в единицу времени , продолжительность работы можно вычислить как деля работа, совершаемая силой.

В каких единицах вычисляется работа и мощность?

Единицей работы является джоулей (Дж) , что составляет кг·м²/с² в единицах СИ. Другой стандартной единицей работы является кВтч .

Единицей мощности является ватт (Вт) , что равно числу джоулей работы, выполняемой в секунду . Однако существуют и другие единицы — их можно найти в преобразователе мощности.