Урок на тему: «Решение задач на расчет КПД теплового двигателя». | Презентация к уроку (физика, 8 класс) по теме:

Слайд 1

Урок по теме: «Решение задач на расчёт КПД теплового двигателя» МАОУ СОШ № 2 Г. Курганинска Краснодарского края 8 класс Подготовила учитель физики Ежова Н.Н.

Слайд 2

Цели урока: Закрепить понятия КПД теплового двигателя в процессе решения задач, на примере знаний законов термодинамики показать взаимосвязь физики и математики; Научить применять полученные теоретические знания к решению практически задач; Развитие познавательного интереса учащихся.

Слайд 3

Проверка знаний: 1.Что называют тепловым двигателем? 2. Перечислите типы тепловых двигателей. 3. Назовите основные части двигателя внутреннего сгорания.

Слайд 4

Тепловая машина это устройство, превращающее внутреннюю энергию топлива в механическую работу.

Слайд 6

Назовите и покажите на модели: Впускной клапан Выпускной клапан Свеча Цилиндр Поршень Шатун Камера сгорания Коленчатый вал

Слайд 7

Как нужно изменить последовательность расположения рисунков чтобы чередование изображённых на них тактов соответствовало нормальной работе двигателя? Назовите эти такты.

Слайд 8

Впуск. 2. Сжатие. 3. Рабочий ход. 4. Выпуск

Слайд 9

5. Укажите, какой двигатель установлен на… Автомобиле? Трамвае? Пароходе? Паровозе? Ракете? Тракторе? Паровая машина. Двигатель внутреннего сгорания Паровая турбина. Электродвигатель. Дизель. Реактивный двигатель. 6 . Что понимают под КПД теплового двигателя? Записать формулу.

Слайд 10

Автомобиль- ДВС

Слайд 11

Трамвай — электродвигатель

Слайд 12

Пароход – паровая машина

Слайд 13

Паровоз — паровая машина

Слайд 14

Ракета — реактивный двигатель

Слайд 15

Трактор-дизель

Слайд 16

Под КПД машины понимают отношение работы к той энергии, которая выделилась при полном сгорании топлива.

Слайд 17

7. Установите соответствие: двигатель Паровая машина. Двигатель внутреннего сгорания. Паровая и газовая турбина. Реактивный двигатель на жидком топливе. КПД 30-47% 25-35% 1-15% 47%

Слайд 18

Паровая машина 1-15%

Слайд 19

Двигатель внутреннего сгорания. 25-35%

Слайд 20

Паровая и газовая турбина 30-47%

Слайд 21

Реактивный двигатель на жидком топливе. 47%

Слайд 22

Коэффициент полезного действия одного из типов ДВС -35%, а паровой турбины -28%. Поясните, что это означает? Только 35 и соответственно 28 % энергии сгораемого топлива пошло на совершение полезной работы. ЗАДАНИЕ № 1.

Слайд 23

При оценке КПД различных тепловых двигателей среди результатов вычислений оказался такой: 108%. Почему он был сразу же отвергнут как неверный? КПД любого двигателя не может превышать 100% или 1. ЗАДАНИЕ № 2.

Слайд 24

В двигателе внутреннего сгорания было израсходовано 0,5 кг горючего, теплота сгорания которого 46·10 6 Дж/кг при этом двигатель совершил 7·10 6 Дж полезной работы. Каков его КПД? Дано: m=0 , 5 кг q = 46·10 6 Дж/кг А= 7·10 6 Дж Найти: η=? ЗАДАНИЕ № 3.

Слайд 25

Какое количество воды можно вскипятить, затратив 8 00 г дров, если КПД кипятильника 30%, начальная температура воды 10 0 С? Дано: С. И. m 2 = 800 г 0,8кг η=30 % t 1 =10ºC t 2 = 100 0 C q=1·10 7 Дж/кг с=4200Дж/кг· 0 C Найти: m= ? ЗАДАНИЕ № 4.

Слайд 26

Подведение итогов Назовите какую пользу приносят человечеству тепловые двигатели. Почему учёные и инженеры всех высокоразвитых стран работают над заменой тепловых двигателей электродвигателями и двигателями на альтернативном топливе?

Слайд 27

Домашнее задание: Подготовить материал о проблемах использования тепловых двигателей в экологическом аспекте. § 24- повторить, ответить на вопросы после § и выполнить одно из заданий на стр. 57 При выполнении работы использованы материалы интернет ресурсов.

Простая физика — EASY-PHYSIC

В этой статье разобраны задачи на КПД тепловой машины. Статья пригодится как школьникам 8-го, так и школьникам 11-го классов при подготовке к ЕГЭ по физике.

Задача 1. На спир­тов­ке на­гре­ва­ют воду. Взяли 175 г  воды и на­гре­ли от С до С. При этом масса спир­тов­ки умень­ши­лась с 163 г до 157 г. Найти КПД теп­ло­вой уста­нов­ки.

Запишем формулу, по которой определяется КПД:

Определим «полезное» тепло. Это то тепло, которое пошло на нагрев воды ( Дж/(кг К) — удельная теплоемкость воды, табличная величина):

Теперь определим, сколько энергии было на это потрачено. Эта энергия выделилась при сгорании спирта ( Дж/кг — удельная теплота сгорания спирта, табличная величина):

Определяем КПД:

Ответ: 27 %

Задача 2.

Теп­ло­вой дви­га­тель со­вер­шил по­лез­ную ра­бо­ту 23000 кДж и из­рас­хо­до­вал при этом 2 кг бен­зи­на. Найти КПД теп­ло­во­го дви­га­те­ля.

Задача эта похожа на предыдущую, только проще. Здесь уже определена полезная работа, поэтому нам осталось определить затраченную (сколько джоулей получили при сгорании бензина):

Удельную теплоту сгорания бензина посмотрим в таблице — она равна 46 МДж/кг, поэтому

Определяем КПД:

Ответ: 25 %

Задача 3.

Тепловой двигатель совершает за цикл работу 800 Дж. При этом холодильнику передается количество теплоты 1000 Дж. Определите количество теплоты, получаемое от нагревателя за один цикл и КПД двигателя.

КПД двигателя можно найти как отношение работы к полученному количеству теплоты:

При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:

Тогда КПД машины:

Ответ: Дж, .

Задача 4.

КПД теплового двигателя равно 40 %. Какое количество теплоты получает этот двигатель от нагревателя за один цикл, если холодильнику при этом передается количество теплоты 400 Дж? Какую работу совершает двигатель за цикл?

КПД двигателя можно найти, как отношение разности полученного и отданного количеств теплоты к полученному количеству теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти полученное двигателем количество теплоты:

Тогда работа машины:

Ответ: Дж, .

Задача 5.

Вычислите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику в 1,5 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Тогда

По условию

Откуда

Тогда КПД машины:

Ответ: , .

Задача 6.

Определите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл,  в 1,6 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Тогда

По условию

Тогда КПД машины:

Ответ: Дж, .

Задача 7.

Нагревателем тепловой машины является насыщенный водяной пар при температуре С, а холодильником —лед при температуре С. Найдите КПД этой машины, если за один цикл ее работы конденсируется 10 г пара в нагревателе и плавится 50 г льда в холодильнике. Удельная теплота парообразования воды 2,3 МДж/кг, удельная теплота плавления льда 340 кДж/кг.

При конденсации пара выделяется теплота. Это количество теплоты, полученное тепловым двигателем. Таяние льда, наоборот, требует передачи льду теплоты. Это – отданное машиной тепло. Найдем обе эти составляющие.

Тогда КПД машины

Ответ: .

Задача 8.

Вычислите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, отдаваемое холодильнику,  в 1,2 раза больше работы, совершенной двигателем за то же время. Найдите отношение количества теплоты, полученного от нагревателя за один цикл, к количеству теплоты, отданному холодильнику.

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение – точно такое же, как у задачи 5. Приведу только ответ: 45%.

Задача 9.

Определите КПД теплового двигателя, если количество теплоты, получаемое рабочим веществом от нагревателя за один цикл, в 1,4 раза больше количества теплоты, отданного холодильнику за то же время. Какова работа этого двигателя за цикл, если холодильнику было передано количество теплоты 600 Дж?

Предлагаю вам решить эту задачу самостоятельно, потому что ее решение простое, похоже на задачу 6. Приведу только ответ: , 240 Дж.

Задача 10.

Тепловой двигатель с КПД, равным 20 %,  совершил работу 400 Дж. Какое количество теплоты при этом было передано холодильнику и какое —  получено от нагревателя?

При этом работа, совершенная двигателем, равна разности полученного и отданного количеств теплоты:

Тогда

Следовательно, можем найти отданное двигателем количество теплоты:

Ответ:

Дж, Дж.

Задача 11.

 Существует некая цепочка из 5-ти двигателей, КПД каждого из которых 90%. 1-й двигатель получает от нагревателя 2 кДж, а все последующие двигатели потребляют полезную работу предыдущего. Будет ли такая цепочка эффективнее, чем один двигатель с КПД 60%, получающий то же количество теплоты от нагревателя?

Рассчитаем полезную работу первого двигателя:

Теперь рассчитаем работу цепочки двигателей.

Первый:

Второй:

Третий:

Четвертый:

Пятый:

Ответ: нет, не будет: Дж.

9.3 Простые машины — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

• Описывать простые и сложные машины
• Расчет механического преимущества и эффективности простых и сложных машин

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

• (6) Научные концепции. Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и импульса. Ожидается, что студент:
  • (C) описывать простые и сложные механизмы и решать задачи, связанные с простыми механизмами;
  • (D) определяют входную работу, выходную работу, механическое преимущество и эффективность машин.

Кроме того, Руководство по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела лабораторной работы под названием «Работа и энергия», а также следующие стандарты:

• (6) Научные концепции. Учащийся знает, что изменения происходят в физической системе, и применяет законы сохранения энергии и импульса. Ожидается, что студент:
  • (Д)
    продемонстрировать и применить законы сохранения энергии и сохранения импульса в одном измерении.

Основные термины раздела

Поддержка учителей

Поддержка учителей

В этом разделе вы примените то, что узнали о работе, чтобы найти механические преимущества и эффективность простых машин.

[BL][OL] Спросите учащихся, что они знают о машинах и работе. Развейте любые заблуждения о том, что машины сокращают объем работы. Следите за тем, чтобы учащиеся не приравнивали машины и двигатели, запрашивая (и, при необходимости, предоставляя) примеры машин без двигателя. Объясните, что простые машины часто держат в руках и что они снижают силу, а не работают.

[AL] Запросить напоминание формулы W = f d . Объясните, что произведение силы на расстояние имеет решающее значение для понимания простых механизмов. Поскольку объем работы не меняется, срок f d не меняется, но сила может уменьшаться при увеличении расстояния. Это основной принцип всех простых машин.

Простые машины

Простые машины облегчают работу, но не уменьшают ее объем. Почему простые машины не могут изменить объем выполняемой вами работы? Напомним, что в закрытых системах общее количество энергии сохраняется. Машина не может увеличить количество энергии, которую вы в нее вкладываете. Итак, чем полезна простая машина? Хотя она не может изменить объем выполняемой вами работы, простая машина может изменить величину силы, которую вы должны приложить к объекту, и расстояние, на котором вы прикладываете силу. В большинстве случаев для уменьшения силы, которую необходимо приложить для выполнения работы, используется простая машина. Обратной стороной является то, что вы должны приложить силу на большее расстояние, потому что произведение силы и расстояния, f d (что равно работе) не меняется.

Давайте посмотрим, как это работает на практике. На рис. 9.8(а) рабочий использует своего рода рычаг, чтобы приложить небольшое усилие на большом расстоянии, в то время как монтировка тянет гвоздь с большой силой на небольшом расстоянии. На рис. 9.8(b) показано, как математически работает рычаг. Сила усилия, приложенная в точке F _e , поднимает груз (сила сопротивления), который давит вниз в точке F _р . Треугольный стержень называется точкой опоры; часть рычага между точкой опоры и F _e — плечо усилия, L _e ; а часть слева — это рычаг сопротивления, L _r . Механическое преимущество — это число, которое говорит нам, во сколько раз простая машина увеличивает силу усилия. Идеальное механическое преимущество, IMA , представляет собой механическое преимущество совершенной машины без потери полезной работы, вызванной трением между движущимися частями. Уравнение для IMA показан на рис. 9.8(b).

Рисунок
9,8

а) Рычаг представляет собой разновидность рычага. (b) Идеальное механическое преимущество равно длине плеча усилия, деленному на длину плеча сопротивления рычага.

В общем, IMA = сила сопротивления, F _r , деленная на силу усилия, F _e . IMA также равняется расстоянию, на котором прилагается усилие, d _e , деленное на расстояние, которое проходит груз, d _r .

IMA=FrFe=dedrIMA=FrFe=dedr

Возвращаясь к сохранению энергии, для любой простой машины работа, затрачиваемая на машину, Вт _i равна работе, производимой машиной, Вт _o . Объединив это с информацией из предыдущих абзацев, мы можем написать

.

Wi=WoFede=FrdrIf  Fedr.Wi=WoFede=FrdrIf  Fedr.

Уравнения показывают, как простая машина может производить тот же объем работы, уменьшая величину усилия за счет увеличения расстояния, на котором действует усилие.

Смотреть физику

Введение в механические преимущества

В этом видеоролике показано, как рассчитать IMA рычага тремя различными методами: (1) по силе усилия и силе сопротивления; (2) от длин плеч рычагов, и; (3) от расстояния, на котором приложена сила, и расстояния, на которое перемещается груз.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Начало этого видео может вызвать больше путаницы, чем просветления. Он показывает вывод с использованием триггерных функций, который выходит за рамки этой главы. Заинтересованные студенты могут захотеть пройти через это. Большинству студентов следует пропустить последние две или три минуты, которые объясняют основы расчета IMA рычага из различных соотношений. Обзор W = f d .

Физика часов: введение в механические преимущества.
В этом видео представлены простые машины, механическое преимущество и моменты.

Нажмите, чтобы просмотреть содержимое

Двое детей разного веса катаются на качелях. Как они располагаются относительно точки опоры (точки опоры), чтобы сохранять равновесие?

1. Более тяжелый ребенок сидит ближе к точке опоры.

2. Более тяжелый ребенок сидит дальше от точки опоры.

3. Оба ребенка сидят на равном расстоянии от точки опоры.

4. Поскольку оба имеют разный вес, они никогда не будут сбалансированы.

Некоторые рычаги прикладывают большое усилие к короткому рычагу. Это приводит к тому, что на конце рычага сопротивления действует меньшая сила на большем расстоянии. Примерами этого типа рычага являются бейсбольные биты, молотки и клюшки для гольфа. В другом типе рычага точка опоры находится на конце рычага, а груз — посередине, как в конструкции тачки.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[AL]Скажите учащимся, что есть еще два класса рычагов с различным расположением нагрузки, точки опоры и усилия. Попросите их сначала попытаться нарисовать их. После того, как они с вашей помощью или без вас обнаружат три типа, спросите, могут ли они придумать примеры типов, не показанных на рис. 9.8.

Простая машина, показанная на рис. 9.9, называется колесом и осью . На самом деле это форма рычага. Разница в том, что рычаг усилия может вращаться по полному кругу вокруг точки опоры, которая является центром оси. Сила, приложенная к внешней стороне колеса, вызывает большее усилие, приложенное к веревке, обернутой вокруг оси. Как показано на рисунке, идеальное механическое преимущество рассчитывается путем деления радиуса колеса на радиус оси. Любое устройство с кривошипным приводом является примером колеса и оси.

Рисунок
9,9

Сила, приложенная к колесу, действует на его ось.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Посмотрите, уловили ли учащиеся идею о том, что колесо и ось на самом деле являются разновидностью рычага. Покажите им, что это больше похоже на рычаг, если колесо заменить рукояткой. Приведите несколько примеров: лебедка с ручным приводом, рулевое колесо, дверная ручка и т. д. Спросите их, почему рулевые колеса имели больший диаметр до изобретения гидроусилителя руля.

[AL] Объясните, что колеса транспортных средств на самом деле не являются простыми механизмами в том смысле, в каком они показаны на рис. 9.9. Ось транспортного средства не работает под нагрузкой. Потери энергии на трение уменьшаются, но ничего не поднимается.

Наклонная плоскость и клин — две формы одной и той же простой машины. Клин — это просто две наклонные плоскости, расположенные спиной к спине. На рис. 9.10 показаны простые формулы для расчета IMA s этих машин. Все наклонные мощеные поверхности для ходьбы или вождения представляют собой наклонные плоскости. Ножи и головки топоров являются примерами клиньев.

Рисунок
9.10

Слева показана наклонная плоскость, справа – клин.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Расскажите о сходстве и различиях наклонных плоскостей и клиньев. Обратите внимание, что при использовании наклонной плоскости груз перемещается, а при использовании клина груз неподвижен, а машина движется. Объясните, почему в этих машинах на трение обычно теряется больше энергии, чем в других простых машинах.

Винт, показанный на рис. 9.11, на самом деле представляет собой рычаг, прикрепленный к круглой наклонной плоскости. Шурупы по дереву (конечно) также являются примерами шурупов. Рычажная часть этих винтов представляет собой отвертку. В формуле для IMA расстояние между витками резьбы называется шагом и имеет символ P .

Рисунок
9.11

Показанный здесь винт используется для подъема очень тяжелых предметов, например, угла автомобиля или дома на небольшое расстояние.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Предложите выделить винт в отдельный тип простой машины, возможно, потому, что он выглядит совсем иначе, чем он есть на самом деле — наклонная плоскость, которую иногда поворачивает рычаг. Объясните, что комбинированное механическое преимущество может быть большим. Устройства, подобные показанному на рис. 9.10, используются для подъема автомобилей и даже домов. Предложите учащимся сравнить этот шуруп с шурупом для дерева и круглой лестницей.

[AL] Спросите учащихся, чем сила, прикладываемая шурупом, отличается от силы, приложенной шурупом на рис. 9..10. Попросите объяснить 2 ππ в уравнении для IMA .

На рис. 9.12 показаны три различные системы шкивов. Из всех простых машин механическое преимущество легче всего рассчитать для шкивов. Просто посчитайте количество канатов, поддерживающих груз. Это IMA . И снова мы должны применять силу на более длинном расстоянии, чтобы умножить силу. Чтобы поднять груз на 1 метр с помощью шкивной системы, нужно потянуть за Н метра веревки. Системы шкивов часто используются для подъема флагов и оконных жалюзи и являются частью механизма строительных кранов.

Рисунок
9.12

Здесь показаны три системы шкивов.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Расчет для IMA шкива кажется слишком простым, чтобы быть правдой, но это так. Попросите учащихся попытаться понять, почему IMA — это просто N . Скажите им, что просмотр видео должен прояснить этот момент. Шкивы когда-то видели на парусных кораблях и фермах, где они использовались для подъема тяжелых грузов. Выступ, который вы, возможно, видели на конце старых крыш сарая, — это место, где когда-то был прикреплен шкив. Таким образом, тюки сена можно было поднять на сеновал, не промокнув. Шкивы все еще можно увидеть в использовании, чаще всего на больших строительных кранах.

Смотреть физику

Механические преимущества наклонных плоскостей и шкивов

В первой части этого видео показано, как рассчитать IMA шкивных систем. В последней части показано, как рассчитать IMA наклонной плоскости.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Прежде чем смотреть видео, ознакомьтесь с тем, что вы узнали о IMA наклонных плоскостей и систем шкивов. Напомните учащимся, что для идеальной машины работа в = работа и что Вт = ж д . На видео показано, как найти f s и d s.

Проверка захвата

Как можно использовать систему шкивов, чтобы поднять легкий груз на большую высоту?

1. Уменьшить радиус шкива.
2. Увеличить количество шкивов.
3. Уменьшите количество канатов, поддерживающих груз.
4. Увеличьте количество канатов, поддерживающих груз.

Сложная машина представляет собой комбинацию двух или более простых машин. Кусачки на рис. 9.13 соединить два рычага и два клина. Велосипеды включают в себя колеса и оси, рычаги, винты и шкивы. Автомобили и другие транспортные средства представляют собой комбинации многих машин.

Рисунок
9.13

Кусачки для проволоки — это обычная сложная машина.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Убедитесь, что учащиеся понимают, что сложная машина представляет собой просто комбинацию простых машин и все еще довольно проста . Не позволяйте им путать этот термин со сложными машинами, такими как компьютеры. Обратите внимание, что IMA отдельных простых машин в сложной машине обычно умножаются, потому что выходная сила одной машины становится входной силой другой машины. В качестве дополнительного развлечения предложите учащимся найти в Интернете Машина Руба Голдберга .

Расчет механических преимуществ и эффективности простых машин

В общем, IMA = сила сопротивления, F _r , деленная на силу усилия, F _e . IMA также равно расстоянию, на котором прилагается усилие, d _e , деленному на расстояние, которое проходит груз, d _r .

IMA=FrFe=dedrIMA=FrFe=dedr

Вернитесь к обсуждениям каждой простой машины для конкретных уравнений для IMA для каждого типа машины.

Никакие простые или сложные машины не обладают фактическими механическими преимуществами, рассчитанными по уравнениям IMA . В реальной жизни часть прикладной работы всегда заканчивается напрасной тратой тепла из-за трения между движущимися частями. И входная работа ( W _i ), и выходная работа ( W _o ) являются результатом действия силы 9.0093 F , действующий на расстоянии, d .

Wi=FidianandWo=FodoWi=FidianandWo=Fodo

Выходная эффективность машины — это просто работа на выходе, деленная на работу на входе, и обычно умножается на 100, так что это выражается в процентах.

% эффективности=WoWi×100% эффективности=WoWi×100

Посмотрите на изображения простых машин и подумайте, какая из них будет иметь наибольшую эффективность. Эффективность связана с трением, а трение зависит от гладкости поверхностей и от площади соприкасающихся поверхностей. Как смазка повлияет на эффективность простой машины?

Поддержка учителей

Поддержка учителей

[BL][OL] Повторить материал о переходе механической энергии в теплоту и законе сохранения энергии. Объясните, как потери тепла из-за трения гарантируют, что Вт _o всегда будет меньше, чем Вт _i , предотвращая достижение КПД 100%.

Рабочий пример

Эффективность рычага

Входная сила в 11 Н, действующая на плечо усилия рычага, перемещается на 0,4 м, что поднимает груз массой 40 Н, опирающийся на плечо сопротивления, на расстояние 0,1 м. Каков КПД машины?

Стратегия

Составьте уравнение для эффективности простой машины, % эффективности = WoWi × 100, % эффективности = WoWi × 100, и рассчитайте Вт _o и Вт _i . _{Оба рабочих значения являются продуктом Fd .}

Решение

Wi=FidiWi=Fidi = (11)(0,4) = 4,4 Дж и Wo=FodoWo=Fodo = (40)(0,1) = 4,0 Дж, тогда % эффективности=WoWi×100=4,04,4×100= 91% % эффективность=WoWi×100=4,04,4×100=91% 

Обсуждение

КПД реальных машин всегда будет меньше 100 процентов из-за работы, которая преобразуется в недоступное тепло за счет трения и сопротивления воздуха. W _o и W _i всегда можно вычислить как силу, умноженную на расстояние, хотя эти величины не всегда так очевидны, как в случае с рычагом.

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Совет для преподавателя. При расчете эффективности достаточно легко понять, что такое сила входа и выхода: сила, которую вы прикладываете, — это сила входа, а вес поднимаемого объекта — сила выхода. Входное и выходное расстояния легче увидеть для рычага, наклонной плоскости и клина. Остальные три не так очевидны. Для системы шкивов входное расстояние — это расстояние, на которое вы тянете веревку, а выходное расстояние — это расстояние, на которое поднимается груз. Для колеса и оси входное расстояние — это окружность колеса, а выходное расстояние — это окружность оси. Для винта входное расстояние — это длина окружности, к которой приложена сила, а выходное расстояние — это расстояние между витками резьбы.

Практические задачи

11.

(кредит: модификация работы OdysseyWare Inc.)

Рисунок
9.14

Наклонная плоскость длиной 5 м и высотой 2 м используется для загрузки большого ящика в кузов грузовика. Что такое IMA наклонной плоскости?

1. 0,4 ​​

2. 2,5

3. 0,4\,\текст{м}

4. 2,5\,\текст{м}

12.

Если система шкивов может поднять груз 200 Н с усилием 52 Н и имеет КПД почти 100 %, сколько канатов поддерживает груз?

1. Требуется 1 веревка, так как фактическое механическое преимущество равно 0,26.
2. Требуется 1 веревка, потому что фактическое механическое преимущество составляет 3,80.
3. Требуется 4 веревки, потому что фактическое механическое преимущество составляет 0,26.
4. Требуется 4 веревки, потому что фактическое механическое преимущество составляет 3,80.

Проверьте свое понимание

13.

Правда или ложь — КПД простой машины всегда меньше 100 %, потому что некоторая малая часть вложенной работы всегда преобразуется в тепловую энергию за счет трения.

1. Правда
2. Ложь

14.

Круглая ручка крана прикреплена к стержню, который открывает и закрывает клапан при повороте ручки. Если стержень имеет диаметр 1 см, а IMA машины 6, каков радиус ручки?

1. 0,08 см
2. 0,17 см
3. 3,0 см
4. 6,0 см

Поддержка учителей

Поддержка учителей

Используйте вопросы «Проверьте свое понимание», чтобы оценить достижение учащимися учебных целей раздела. Если учащиеся испытывают трудности с выполнением определенной задачи, функция «Проверить понимание» поможет определить, какая из них, и направит учащихся к соответствующему содержанию.

Механические системы I — Класс Курпински

Машины — это инструменты, которые помогают людям выполнять работу

Машины помогают людям более эффективно использовать энергию.

Машина  :

Устройство, которое помогает нам выполнять работу.

Примером развития техники является зерноуборочный комбайн.

Ранние машины

1)    Были очень простыми устройствами

2)    Источником энергии служили люди и животные.

3)    Пример: плуг, ветряная мельница, водяная мельница

Как древние цивилизации доставляли воду в свои дома?

Римские акведуки

Используются для транспортировки воды на многие километры для снабжения городов.

Акведук состоит из 3 основных частей:

1. Насос – поднимает воду в резервуары.

2. Каналы – на склоне для подачи воды.

3. Распределительная система – распределяет воду по городу.

Сакия (персидское колесо)

• Набор ведер, прикрепленных к длинной веревке, накинутой на колесо.

• Колесо вращается животными, которые поднимают ведра с водой.

• После подъема вода хранится в резервуарах.

• Гравитация перемещает воду по трубам в дома.

Винт Архимеда

• Винт собирает воду и поднимает ее вверх по трубе.

• Первоначально приводился в действие вручную, затем с помощью газового или электрического двигателя.

• Позднее Леонардо да Винчи использовал 2 винта Архимеда для повышения эффективности.

  Простая машина:

  Инструмент или устройство, состоящее из одной базовой машины.

  • Есть 6 простых машин , которые помогают нам выполнять работу.

  • Каждая машина имеет свои преимущества и недостатки.

  • Простая машина может увеличить или изменить направление силы, которую вы прикладываете. Но цена заключается в том, что сила, которую прикладывает пользователь, должна двигаться дальше, чем нагрузка.

  1)  Рычаг:

  Жесткий стержень или планка, которые могут вращаться вокруг фиксированной точки, называемой точкой опоры или точкой опоры.

  3 типа рычагов:

  1. Рычаг первого класса – точка опоры между грузом и точкой приложения усилия.

  2. Рычаг второго рода – нагрузка между усилием и точкой опоры.

  3. Рычаг третьего класса – имеет усилие между грузом и точкой опоры.

  Все еще не понимаю рычаги — попробуйте посмотреть это видео

  Плоская поверхность, расположенная под углом к ​​другой плоской поверхности, например к земле.

  • Позволяет пользователю перемещать больший груз , чем без него.

  • Но пользователь должен переместить большее расстояние, чем груз.

  • Рампа не может быть слишком крутой для работы.

  3) Клин:

  Аналогичен наклонной плоскости, но вдавлен в объект.

  • При нажатии на широкий конец узкий конец разделяет объект.

  • Можно использовать только в одном направлении, чтобы раздвигать предметы.

  • Позволяет пользователю применять большую силу к объекту.

  • Но пользователь должен переместиться на большее расстояние чем раскол.

  4) Винт:

  Состоит из цилиндра с канавкой, прорезанной по спирали снаружи.

  • Может проникать в материалы с относительно небольшим усилием.

  • Преобразование вращательных движений в линейных движений.

  • Большинство винтов перемещают объекты очень медленно.

  5)Шкив:

  Состоит из проволоки, каната или троса, движущегося по колесу с желобками.

  Блок и захват:

  Тип каната и блока, в котором используются блоки с большим количеством блоков для еще большей подъемной силы.

  Каждый раз, когда к блоку и механизму талей добавляется шкив, подъемная сила увеличивается.

  Входное усилие x Количество сегментов шкива = Выходное усилие

  Пример. На изображении блока и полиспаста показан груз в 100 Н, поднимаемый с усилием 25 Н. Общее количество шкивов равно 4. Каждый сегмент шкива добавляет механическое преимущество, равное 1. Тяговое усилие 4 сегментов шкива в сумме составляет 100 Н. Эй, это та же сила, что и нагрузка.

  6) Колесо и ось:

  Машина, состоящая из двух колес разного диаметра, которые вращаются вместе. Большее колесо считается «колесом», а меньшее колесо считается «осью».

  • Когда простая машина совершает один оборот, мы называем это одним оборотом

  • Сила обычно линейна, это либо толкание, либо тяга, однако, когда сила следует за круговым движением, это называется крутящий момент

  • За один оборот большее колесо совершает более длинное движение, чем меньшая ось, совершающая более короткое движение.

  Увеличение расстояния

  При приложении силы меньшее колесо крутящий момент уменьшается , но скорость вращения и пройденный путь увеличиваются

  Увеличение силы

  При приложении силы большее колесо 90 093 крутящий момент увеличивает но скорость вращения и пройденное расстояние уменьшается

  Все еще не понимаете простые механизмы — попробуйте посмотреть это видео

  ДЕЯТЕЛЬНОСТЬ

  Для каждого типа простого механизма запишите два примера, которые вы можете найти в своем доме (подсказка: кухни и гаражи полны простые машины)

  КПП 1

  Почему сложные машины?

  1. По мере развития более крупных сообществ появлялись новые и более сложные машины.

  2. Новые более крупные источники энергии, такие как уголь, нефть и электричество, в сочетании с новыми технологиями вызвали промышленную революцию.

  3. Это привело к повышению уровня жизни людей.

  4. Но это также привело к тому, что люди теперь зависят от технологий.

  Сложные машины:

  Система, в которой все простые машины работают вместе.

  Система:

  Группа деталей, которые работают вместе для выполнения определенной функции.

  Пример. Велосипед (какие простые машины используют велосипед)

  Подсистема:

  Меньшая группа деталей сложной машины с одной функцией.

  (Ex) Автомобиль — торможение и рулевое управление

  Назовите все подсистемы велосипеда!

  Представьте себе предмет домашнего обихода, который представляет собой сложную машину!

  Соединение:

  Ремень или цепь   для передачи энергии от источника энергии к объекту.

  • (Ex) велосипедная цепь

  Трансмиссия:

  Особый тип тяги для передачи энергии от двигателя к колесу в больших транспортных средствах, таких как легковые или грузовые автомобили.

  Шестерни:

  Пара колес с зубьями, которые соединяются друг с другом; когда они вращаются вместе, одно зубчатое колесо передает вращательное движение и усилие другому.

  • шестерни работают вместе в зубчатых передачах (2 или более передач).

  • шестерни могут изменять скорость, усилие и направление движения

  • шестерни будут менять направление вращения, если ведущая шестерня будет вращаться по часовой стрелке соседняя ведомая шестерня будет вращаться против часовой стрелки

  • шестерни интегрируются с другими шестернями, а шестерни, которые интегрируются с рычажным механизмом (например, шестерни на велосипеде), называются звездочками

  ПРИВОД:

  Шестерня, к которой приложено первоначальное усилие. (Также может называться «ведущей шестерней»)      

  ВЕДУЩАЯ ШЕСТЕРНЯ:

  Шестерня, воспринимающая усилие после.

  Как шестерни влияют на скорость?

  умножение шестерен:

  Когда ведущая шестерня больше ведомой   =  Скорость вращения в системе увеличивается.

  редукторы:

  Когда ведущая шестерня меньше ведомой =   Скорость вращения в системе снижается.

  КОНТРОЛЬНЫЙ ПУНКТ 2

  Также известный как Насколько хорошо машина увеличивает силу

  Простые машины можно использовать для увеличения силы. Например, извилистая дорога на самом деле представляет собой серию наклонных плоскостей с поворотами. Это позволяет автомобилям подниматься по крутому склону с меньшим усилием, однако компромисс заключается в том, что автомобиль должен преодолевать большее расстояние.

  ПЕРЕХОД НА ЛОМБАРД-СТРИТ САН-ФРАНЦИСКО

  Механическое преимущество  :

  Величина, на которую машина может умножить силу. Также называется коэффициентом силы.

  Входная сила:

  Сила, приложенная к машине.

  Выходная сила:  

  Сила, которую машина применяет к объекту.

  Сила измеряется в Ньютонах (

  Н ).

   

                          Механическое преимущество  (MA) =   Выходное усилие (Н) / Входное усилие (Н)                                      

  EX 1

  Чтобы вырвать сорняк из сада, вы можете приложить к лопате силу 50 Н. Лопата прикладывает к сорняку силу 600 Н. Каково механическое преимущество лопаты?

  EX 2

  Чтобы открыть крышку банки с газировкой, вы можете приложить усилие 50 Н к ключу от машины. Ключ от машины прикладывает усилие 390 Н к крышке. Каково механическое преимущество автомобильного ключа?

  EX 3

  Чтобы оторвать деревянную доску от домика на дереве, вы можете приложить к рычагу усилие 50 Н. Рычаг прикладывает к доске силу 750 Н. В чем механическое преимущество рычага?

  ПРОВЕРКА ВОПРОСОВ

  ПРОВЕРКА ВОПРОСОВ КЛЮЧ

  Механическое преимущество менее 1

  Подходит для задач, не требующих большой выходной силы. Или для увеличения скорости.

  (Ex) Велосипед – выходная сила используется для скорости.

  (Ex) Большая шестерня приводит в движение меньшую шестерню

  Пример Ключ ответа

  Пример 1 — Механическое преимущество 12

  Пример 2 — Механическое преимущество 7,8

  Пример 3 — Механическое преимущество 15

  КОНТРОЛЬНАЯ ПУНКТ 3

  A ка Насколько хорошо машина увеличивает скорость

  5 ИЗ 5 БЫЛИ ЗДЕСЬ ЕСТЬ.

  Скорость:

  Измеряет расстояние, которое объект проходит за заданный промежуток времени.

  Скорость =   Расстояние (м) / Время (с)  

  Коэффициент скорости:

  Мера того, как машина влияет на скорость объекта.

  • Некоторые машины увеличивают скорость (велосипед), но уменьшают силу

  • Некоторые машины снижают скорость (шкив), но увеличивают силу

  • называется передаточное отношение

  Передаточное число показывает, насколько быстрее движется пользователь, чем движется груз.

  Передаточное отношение  (SR)  = Входное расстояние (м) / Выходное расстояние (м) 

  Передаточное отношение (GR) = Количество зубьев ведомой шестерни / Количество зубьев ведущей шестерни

  Ex 1

  A зубчатый механизм две шестерни в движении. Ведущая шестерня проходит в общей сложности 12 м, а ведомая шестерня перемещается в общей сложности на 3 м. Каково передаточное отношение этого механизма?

  EX 2

  Система шкивов протягивается на расстояние 10 м, при этом коробка, прикрепленная к шкиву, перемещается на 1,5 м. Каково передаточное отношение системы шкивов?

  ** Машина может увеличить или изменить направление силы, которую вы прикладываете. Но цена заключается в том, что сила, которую прикладывает пользователь, должна двигаться дальше, чем нагрузка.

  ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

  КЛЮЧ ДЛЯ ВОПРОСОВ ДЛЯ ПОВТОРЕНИЯ

  Пример Ключа для ответа

  Пример 1 — Передаточное число 4 (это означает, что ведущее колесо движется в 4 раза быстрее, чем ведомое колесо)
  Пример 2. Коэффициент скорости 6,67 (это означает, что система шкивов тянется в 6,67 раз быстрее, чем движется коробка)

  ТРЕНИЕ, ВЫЗВАННОЕ ТОРМОЗНОЙ КОЛОДКОЙ, ВЫДЕЛЯЕТ ЭНЕРГИЮ В ВИДЕ ТЕПЛА

  Часто в физике механическое преимущество и соотношение скоростей рассчитываются в реальных ситуациях, однако математические расчеты не всегда совпадают? Какие-то силы не передаются машиной, машина как-то теряет часть энергии?

  Трение:

  Сила, противодействующая движению.

  • вызвано шероховатостью поверхности, поскольку с увеличением шероховатости поверхности увеличивается и эффект трения.

  • трение создает ТЕПЛО , и часть подводимой силы преобразуется в тепло в машинах

  • трение снижает эффективность работы машин, однако для защиты системы необходимо высвобождать энергию

  Как увеличение масла в двигателе КПД двигателя?

  КОНТРОЛЬНАЯ ТОЧКА 4

  Эффективность:

  Измерение того, насколько хорошо машина или устройство использует энергию.

  Эффективность  =   (механическое преимущество / соотношение скоростей) x 100

  Большинство сложных машин очень неэффективны: они тратят энергию впустую.

  Пример. Автомобиль КПД всего 15%, куда девается остальная энергия?

  Работа:

  Совершается, когда на объект действует сила, заставляющая объект двигаться.

  Прежде чем можно будет сказать, что работа сделана, необходимо движение.

  Работа может быть обозначена как энергия , работа измеряется в Джоулях (Дж)  или Ньютон-метрах (Н x м)

  Количество выполненной работы зависит от двух факторов:

  1. Количество прилагаемой силы на объект

  2. Расстояние, на которое объект перемещается в направлении приложенной силы.

  Работа (Дж) = Сила (Н) x Расстояние (м)

  Джоуль используется для расчета работы и энергии!

  EX 1

  Вы прикладываете силу 300 Н на расстоянии 15 м. Сколько работы вы сделали?

  EX 2

  Вилочный погрузчик поднимает ящик на 2 м, прилагая усилие 1000 Н. Какую работу выполнил погрузчик?

  Пример 3

  Вы использовали энергию 1000 Дж, чтобы приложить к объекту силу 200 Н. Как далеко продвинулся этот объект?

  ПРОВЕРКА ВОПРОСОВ

  ПРОВЕРКА ВОПРОСОВ КЛЮЧ

  Забавный факт! 1 кг = 9,81 Н, интересно, сколько 10 кг равны?

  Мощность:

  Сколько работы выполняется за определенный промежуток времени, измеряется в ваттах

  Мощность (Вт) = Работа (Дж) / Время (с) 

  EX 1

  объект за 15 с. Сколько энергии вы использовали?

  EX 2

  Двигатель передает на ось 5000 Дж работы в течение 10 секунд. Какая мощность у двигателя?

  Пример 3

  Лошадь тянет повозку, работая с мощностью 4500 Дж за 6 с. Какую мощность развивает лошадь?

  КОНТРОЛЬНЫЙ ПУНКТ 5

  Энергия и работа тесно связаны, одно не может существовать без другого.

  Пример. Автомобиль – для работы (движения) требуется энергия (бензин)

  Работа и машины

  Использование машины не уменьшает объем работы, она уменьшает необходимую силу.

            Результат работы = Вложенная работа

  На это уравнение влияет трение (так же, как механическое преимущество)

  Расчет эффективности

  Эффективность может быть рассчитана без использования механического преимущества или коэффициента скорости

  Строитель вкладывает 20 Дж энергии за один удар своей молотком по шляпке гвоздя. Энергия, передаваемая на забивание гвоздя в дерево, равна 8,0 Дж. Какова эффективность удара молотком строителя?

  EX 2

  Мистер К. потратил 25 Дж энергии, чтобы перебросить волейбольный мяч через сетку. Игрок получил этот волейбольный мяч и определил, что энергия, переданная мячу, составляет 20 Дж энергии. Какова эффективность спайка мистера К.?

  EX 3

  Энергоэффективность конкретного химического процесса составляет всего 3,00%. Для завершения этого крупномасштабного химического процесса вводится 140 000 Дж энергии. Каков энергетический выход этого процесса?

  ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ

  ВОПРОСЫ ДЛЯ ПРОВЕРКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ КЛЮЧ

  КОНТРОЛЬНАЯ ТОЧКА 6

  В этом задании вы будете рисовать четыре различных ситуации и вычислять следующие для каждая ситуация :

  • Начертите простую машину

  • Обозначьте силу и направление силы

  • Рассчитайте входную и выходную работу

  • Расчет Расчет механического преимущества

  • Расчет эффективности

  Начертите и рассчитайте следующее:

  1. Робин использует шкив, чтобы поднять ящик, она тянет 1,8 м с силой 140 Н. Ящик весом 20 кг перемещается вверх на расстояние 0,7 м.

  2. Джош рубит дрова топором, с силой 60 Н он бросает острие топора с высоты 0,5 м на кусок дерева. Деревянный брусок раскалывается на расстоянии 0,012 м друг от друга с силой 1015 Н.

  3. Хелен использует шуруп, чтобы скрепить два деревянных бруска. Она поворачивает отвертку один раз с усилием 100 Н, отвертка поворачивается на 0,025 м. Шуруп вгрызается в древесину с силой 350 Н и углубляется в древесину примерно на 0,01 м.

  4. Марк использует рычаг второго класса для подъема груза весом 10,5 кг на 35 см. Он приложил к рычагу силу 50 Н, которая переместилась на 85 см.

  5. Ажуанте нажимает на педаль своего велосипеда, которая соединена с большой шестерней, шестерня перемещается на расстояние 1 м, создавая 250 Дж работы. Через рычажный механизм усилие передается на меньшую шестерню, соединенную с задним колесом велосипеда. Заднее колесо перемещается на расстояние 0,5 м с усилием (или крутящим моментом) 400 Н.