Лабораторная работа №10. Определение КПД наклонной плоскости — Физика 7 класс, Кронгарт: разбор
Ookul.kz · разбор уроков
Қазақша

Разберём любой номер вместе!

Лабораторная работа №10. Определение КПД наклонной плоскости

Физика, 7 класс. Учебник: Кронгарт Б.А. и др. (Мектеп, 2025). Глава 9: Момент силы. Страницы 196–198.

Чему научишься

  • Рассчитывать полезную и затраченную работу при подъёме бруска по наклонной плоскости.
  • Находить КПД наклонной плоскости и убеждаться, что он меньше 100%.
  • Выяснять, зависит ли КПД от массы поднимаемого тела.
  • Выяснять, как КПД зависит от угла наклона (высоты при неизменной длине).

Разминка

  • Что такое полезная работа? Работа, ради которой всё затевалось: например, подъём груза на нужную высоту. Её считают как $A_{\text{пол}}=mgh$.
  • Что такое затраченная (полная) работа? Работа, которую совершает та сила, что тянет груз: $A_{\text{затр}}=F_{\text{тяги}},l$.
  • Как найти КПД? Разделить полезную работу на затраченную: $\eta=\dfrac{A_{\text{пол}}}{A_{\text{затр}}}$ (можно умножить на 100%).
  • Может ли КПД быть больше 100%? Нет. Часть работы всегда уходит на трение, поэтому полезная работа меньше затраченной.

💡 Наклонная плоскость даёт выигрыш в силе: тянуть вдоль доски легче, чем поднимать вверх. Но путь становится длиннее. Выигрыша в работе нет, а из-за трения мы ещё и немного проигрываем.

Разбираемся

Цель и оборудование

Цель. Научиться считать КПД наклонной плоскости; убедиться, что полезная работа меньше полной; выяснить, как КПД зависит от массы груза и от угла наклона плоскости.

Оборудование. Доска, динамометр, линейка, брусок, штатив с муфтой и лапкой, набор грузов известной массы.

Какие формулы понадобятся

Величина Обозначение Единица СИ
сила тяжести бруска (с грузами) $mg$ Н
высота наклонной плоскости $h$ м
длина наклонной плоскости $l$ м
сила тяги вдоль плоскости $F_{\text{тяги}}$ Н
полезная работа $A_{\text{пол}}=mgh$ Дж
затраченная работа $A_{\text{затр}}=F_{\text{тяги}},l$ Дж
КПД $\eta=\dfrac{mgh}{F_{\text{тяги}},l}$ безразмерный (или в %)

📌 КПД любого механизма меньше 1 (меньше 100%). Если у тебя получилось больше, значит, где-то ошибка в измерении.

Задание 1. КПД наклонной плоскости и масса груза

⚠️ Частая ошибка. Тянуть брусок рывками. Тогда динамометр показывает силу больше нужной, а КПД получается заниженным. Тяни плавно, с постоянной скоростью. Ещё одна ловушка: $h$ и $l$ надо брать в метрах (20 см = 0,2 м).

Пример заполненной таблицы 3

Высота $h=0{,}2$ м, длина $l=0{,}5$ м. Брусок взвесили без грузов и с одним-двумя грузами:

№ опыта $h$, м $l$, м $mg$, Н $F_{\text{тяги}}$, Н $A_{\text{пол}}$, Дж $A_{\text{затр}}$, Дж $\eta$
1 0,2 0,5 1,0 0,60 0,20 0,30 0,67 (67%)
2 0,2 0,5 2,0 1,20 0,40 0,60 0,67 (67%)
3 0,2 0,5 3,0 1,75 0,60 0,875 0,69 (69%)

Расчёт для опыта 3:

$A_{\text{пол}}=mgh=3{,}0,\text{Н}\cdot0{,}2,\text{м}=0{,}60,\text{Дж}$,

$A_{\text{затр}}=F_{\text{тяги}},l=1{,}75,\text{Н}\cdot0{,}5,\text{м}\approx0{,}88,\text{Дж}$,

$\eta=\dfrac{0{,}60}{0{,}875}\approx0{,}69\approx69%$.

Вывод по заданию 1. Полезная работа во всех опытах меньше затраченной: КПД получился 67–69%, то есть меньше 100%. Часть работы ушла на преодоление трения. При увеличении массы бруска КПД почти не изменился: разница в 2% лежит в пределах погрешности измерений. Значит, при неизменном угле наклона КПД практически не зависит от массы поднимаемого тела.

Задание 2. КПД и угол наклона

Пример заполненной таблицы 4

Брусок весит $mg=2{,}0$ Н, длина доски $l=0{,}5$ м.

№ опыта $h$, м $l$, м $mg$, Н $F_{\text{тяги}}$, Н $A_{\text{пол}}$, Дж $A_{\text{затр}}$, Дж $\eta$
1 0,10 0,5 2,0 0,80 0,20 0,40 0,50 (50%)
2 0,15 0,5 2,0 1,00 0,30 0,50 0,60 (60%)
3 0,20 0,5 2,0 1,15 0,40 0,575 0,70 (70%)
4 0,25 0,5 2,0 1,35 0,50 0,675 0,74 (74%)
5 0,30 0,5 2,0 1,50 0,60 0,75 0,80 (80%)
6 0,35 0,5 2,0 1,70 0,70 0,85 0,82 (82%)

Расчёт для опыта 5: $A_{\text{пол}}=2{,}0\cdot0{,}30=0{,}60$ Дж, $A_{\text{затр}}=1{,}50\cdot0{,}5=0{,}75$ Дж, $\eta=0{,}60/0{,}75=0{,}80=80%$.

Вывод по заданию 2. Чем круче наклонная плоскость (чем больше $h$ при той же длине $l$), тем больше КПД: от 50% при $h=0{,}10$ м до 82% при $h=0{,}35$ м. Но при этом выигрыш в силе уменьшается: тянуть приходится сильнее. Пологая плоскость даёт больший выигрыш в силе, но КПД у неё ниже, потому что путь длиннее и трение «работает» дольше.

🌟 Горные дороги-серпантины, например в горах возле Алматы, — это те же наклонные плоскости. Их делают пологими, чтобы машине не пришлось тянуть слишком сильно, и платят за это длинным путём.

Общий вывод работы

Мы убедились, что полезная работа при подъёме по наклонной плоскости меньше затраченной (КПД меньше 100%) из-за трения. КПД почти не зависит от массы груза, но растёт при увеличении угла наклона.

⚠️ Техника безопасности. Закрепляй доску на штативе надёжно, чтобы она не соскользнула. Не держи руки под бруском и грузами: они могут упасть на пальцы. Динамометр тяни плавно.

👨‍👩‍👧 Родителю. Дома то же можно показать с гладкой доской, книгой и резинкой вместо динамометра: чем круче доска, тем сильнее растягивается резинка. Попросите ребёнка объяснить, почему на пологой горке тянуть легче, но дольше.

Шпаргалка

  • Брусок тянем равномерно вдоль доски.
  • $h$ и $l$ переводим в метры.
  • Результаты записываем в таблицу и сравниваем КПД в разных опытах.

Мини-тест

← Лабораторная работа №9. Определение условия равновесия рычага · Самое важное в главе 9. Момент силы →