Урок 72/17. ПРЕВРАЩЕНИЕ ЭНЕРГИИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАШИН

Цель урока: развить представление учащихся о процессе превращения тепла и других видов энергии в работу посредством машин.

Тип урока: комбинированный.

Оборудование:

План урока: 1. Вступительная часть 1-2 мин.

2. Опрос 10 мин.

3. Объяснение 15 мин.

4. Закрепление 15 мин.

5. Задание на дом 2-3 мин.

II. Опрос фундаментальный: мощность.

Задачи.

1. Необходимо поднять на крутую гору прицеп массой 2,2 т. С какой скоростью трактор тяговой мощностью 30 кВт сможет тянуть прицеп, если угол подъема 30⁰, а коэффициент сопротивления 0,4?

2. Поднимаясь равномерно, как всегда, из окна Малыша к себе на крышу, Карлсон в тот день, когда его угостили вареньем, затратил на подъем на 4 с больше, чем обычно. Какова масса съеденного им варенья, если мощность мотора всегда равна 75 Вт, а высота подъема 10 м?

3. Метеорологическая ракета стартует в вертикальном направлении с поверхности Земли. Ее топливо сгорает за 4 с полета. В течение этого времени ускорение ракеты возрастает линейно от α₀ = g до α = 5g. Найти мощность двигателя ракеты перед окончанием его работы, если масса не заправленной ракеты 10 кг.

4. Начиная движение из состояния покоя, кабина лифта поднимается на высоту 30 м и останавливается. Найдите, какая работа была совершена при этом двигателем лифта, если максимальная мощность, развиваемая им при подъеме, составила 2 кВт. Полное время подъема кабины 8 с, разгон и замедление производили в течение одинакового времени 2 с с постоянным по модулю ускорением, остальное время кабина двигалась равномерно.

Вопросы.

1. Почему нельзя увеличить КПД, взяв на борт самолета лошадь?

2. На одинаковых автомобилях установлены моторы разной мощности. Какой из автомобилей быстрей "берет" с места?

3. Почему при разгоне автомобиля по горизонтальной дороге невыгодно включать большую мощность при малых скоростях? Почему же при разгоне самолета его двигатели сразу включаются на максимальную мощность?

4. При какой скорости автомобиля используют максимальную мощность его двигателей?

5. Ракета с работающим двигателем "зависла" над поверхностью Земли. На что расходуется мощность ее двигателя?

6. Автомобилист хочет набрать максимальную скорость за минимальное время. Как ему надо для этого двигаться?

III. Процесс превращения тепла в работу человек использует уже около 200 лет.

"…рабочая машина – это такой механизм, который … совершает своими орудиями те самые операции, которые раньше совершал рабочий подобными же орудиями".

К.Маркс

Машина совершает работу за счет затрат энергии: механической, внутренней энергии топлива и т.д.

Цепь превращений энергии в ТЭС:

Цепь превращения энергии в ГЭС (заполняют дома ученики).

Все превращения подчиняются закону сохранения энергии. При любых превращениях нельзя получить энергии одного вида больше, чем затрачено энергии другого вида.

Проблема "вечных двигателей". Почему не работает "вечный двигатель", схематически изображенный на рисунке 208 учебника?

Потери энергии при преобразованиях. КПД двигателя или механизма:

IV. Задачи.

1. Определите работу по подъему груза по наклонной плоскости, среднюю мощность подъемного устройства и КПД наклонной плоскости, если масса груза 100 кг, длина наклонной плоскости 2 м, угол ее наклона к горизонту 30⁰, коэффициент трения 0,1, ускорение при подъеме 1 м/с². У основания наклонной плоскости груз находился в покое.

2. С помощью блоков на высоту 10 м поднимают груз массой 50 кг. Конец веревки, за который тянут с силой 300 Н, перемещается на расстояние 20 м. Начертите возможную схему блоков и определите КПД механизма.

V. § 51 Упр.30, № 1-4.

1. Найдите максимальный КПД винтового домкрата, у которого сила трения не позволяет грузу опускаться.

Ибо не может ничто из материи прочь отделиться,

Бывши в нее включено, напротив, не могут ворваться

Новые силы в нее при посредстве которых возможно

Переиначить природу вещей и порядок движенья.

Лукреций

Урок 73/18. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

Цель урока: углубить знания учащихся о законе сохранения энергии и научить их применять его при решении конкретных задач.

Тип урока: решение задач.

Оборудование:

План урока: 1. Вступительная часть 1-2 мин.

2. Опрос 15 мин.

3. Решение задач 25 мин.

4. задание на дом 2-3 мин.

II. Опрос фундаментальный: 1. Превращение энергии и использование машин. 2. КПД простого механизма.

Задачи.

1. Горный ручей с сечением потока S образует водопад высотой h. Скорость течения воды в ручье . Найти мощность водопада. Потерями энергии пренебречь.

2. Мощность гидроэлектростанции 73,5 кВТ. Чему равен расход воды в 1 с, если КПД станции 75%, и плотина поднимает уровень воды на высоту 10 м?

3. Катер приводится в движение водометным двигателем, выбрасывающим с кормы струю воды со скоростью . Ежесекундно выбрасывается масса воды , которая берется из реки. При какой скорости катера КПД двигателя максимален? Силой трения и сопротивлением воды пренебречь.

4. Какую силу развивает домкрат, имеющий рукоятку длиной 0,4 м и шаг винта 0,5 см, если на рукоятку действует сила 90 Н и КПД домкрата 55%?

Вопросы:

1. Для подъема грузов применяется наклонная плоскость и наклонный транспортер–лента, движущаяся по роликам. Какое их этих устройств имеет больший КПД?

2. Как с помощью двух подвижных блоков получить выигрыш в силе в 4 раза?

3. Почему при езде на велосипеде мы устаем куда меньше, чем при ходьбе? Не противоречит ли этот факт закону сохранения энергии? Почему при спортивной ходьбе мы устаем значительно меньше?

4. Во сколько раз падает нужная кораблю мощность при уменьшении его скорости в 3 раза?

5. При падении камня с некоторой высоты его потенциальная энергия переходит в кинетическую энергию, а затем во внутреннюю энергию. В какой вид энергии переходит потенциальная энергия камня, если мы его равномерно опускаем на тросе?

6. Какой режим для вертолета экономичней – режим полета или зависание на месте?

III. Задачи.

1. Масса вертолета равна 3000 кг. Диаметр винта, отбрасывающего вниз цилиндрическую струю воздуха плотностью 1,3 кг/м³ того же диаметра, равен 8 м. Определите мощность мотора, если вертолет неподвижен; вертолет поднимается вертикально вверх с ускорением 0,2 м/с². Справка: Подъемная сила вертолета пропорциональна четвертой степени частоты вращения винта!

2. При гребке в месте выхода весла из воды образуется маленький водоворот. Если гребец делает 26 гребков в минуту, то расстояние между соседними водоворотами 4 м. Вычислите расстояние между водоворотами, если тот же гребец на той же лодке будет делать 20 гребков в минуту. В обоих случаях за один гребок спортсмен совершает одну и ту же работу, а лодка движется с постоянной скоростью. Сила сопротивления воды прямо пропорциональна квадрату скорости лодки.

3. Вертолет зависает в воздухе при мощности двигателя 2000 л.с.. Какую мощность должен иметь двигатель в действующей модели, выполненной в масштабе 1 : 40?

IV. Упр.30, № 3-4

1. Оцените мощность, выделяющуюся в виде тепла при экстренном торможении грузовика.

2. Как лучше забить гвоздь в стену?

3. По нормативам, принятым в армии США, военнослужащий должен выполнить 72 отжимания от пола за 1 мин. Какова развиваемая им при этом мощность?

Всякий легко согласится с тем, что теория о силах и движениях жидкости, …, не является ни бесполезной, ни тривиальной.

Даниил Бернулли

Урок 75/20. ДВИЖЕНИЕ ЖИДКОСТИ ПО ТРУБАМ (ГИДРОДИНАМИКА)

Цель урока: показать, что с увеличением скорости потока жидкости уменьшается давление в потоке; на основании закона сохранения энергии получить уравнение Бернулли.

Тип урока: лекция.

Оборудование: прибор для демонстрации распределения давления в потоке жидкости разного сечения, проекционный аппарат.

План урока: 1. Вступительная часть 1-2 мин.

2. Лекция 35 мин.

3. Ответы на вопросы 5 мин.

4. Задание на дом 2-3 мин.

II. Ламинарное течение (каждая частица движется по гладкой траектории, и траектории разных частиц не пересекаются).

Турбулентное течение (характеризуется наличием в газе или жидкости вихрей). Вихри поглощают огромное количество энергии, поэтому при турбулентном течении вязкость жидкости гораздо выше.

На будущее будем считать жидкость несжимаемой, вязкостью будем пренебрегать, течение будем считать стационарным (скорость в каждой точке не зависит от времени) и безвихревым. Линии тока. Скорость в каждой точке направлена по касательной к линии тока. Трубка тока.

Уравнение неразрывности: - открыто Б. Кастелли 1628 г.

Вопрос: Почему при раскуривании трубки курилка затыкает ее отверстие пальцем?

Отсюда я вижу потоков рожденье

И первое грозных обвалов движенье.

А.С.Пушкин

Почему пламя свечи направлено вверх? Пламя всегда направлено из области большего давления воздуха в область меньшего давления! Если через стеклянную трубку подуть на расстоянии 2 – 3 см от пламени, то оно отклонится в сторону струи воздуха и тем сильнее. Чем больше скорость струи (демонстрация). Почему? Почему слипаются два листа бумаги, если подуть между ними? Течение жидкости по трубе переменного сечения (демонстрация). Где скорость жидкости больше? Где давление меньше?

Согласно закону Бернулли, давление в потоке жидкости или газа выше там, где скорость меньше, и наоборот (доказательство от противного на рисунке и демонстрация). Уравнение Бернулли:

Примеры: пульверизатор, шарик для пинг-понга в потоке воздуха (опыт с воздуходувкой), подъемная сила крыла самолета, проветривание нор у кротов, «крученый» мяч.

III. Вопросы:

1. Почему порыв ветра на улице "захлопывает" открытые форточки и балконные двери?

2. Почему дым в печной трубе поднимается вверх?

3. В силу вязкого трения скорость жидкости или газа на поверхности омываемого ими тела всегда равны нулю (демонстрация с вентилятором, лопасти которого припудрены). Почему пудра не стряхивается во время работы вентилятора? Почему скорость ветра на поверхности земли всегда равна нулю? Почему с высотой скорость ветра увеличивается? Почему возникает тяга (поземка или пылевая буря)?

4. Почему зимой вокруг дерева образуется снежная ямка?

5. Почему ураган срывает крыши с домов и шляпы с прохожих?

6. Почему не бывает росы под густым деревом?

7. Почему пламя свечи всегда заострено сверху?

8. Почему парит шарик от тенниса в вертикальной струе воздуха?

9. Почему крученый (резаный) мяч не летит прямо? Демонстрация скатывания с наклонной плоскости (стула) скомканного листа бумаги и цилиндра, склеенного из такого же листа бумаги. Почему скомканный лист падает заметно дальше? Эффект Магнуса.

10. Почему ложка, подвешенная через отверстие в ручке к лапке штатива, отклоняется в сторону омывающего ее потока жидкости (демонстрация)? Эффект Коанда.

11. Объяснение принципа действия пульверизатора (карбюратора), возникновение подъемной силы при обдувании крыла самолета потоком воздуха.

Задачи:

1. Каким должно быть избыточное давление в водопроводе, чтобы струя из пожарного шланга била на высоту 25 м?

2. С катера, идущего со скоростью 18 км/ч, опускают в воду изогнутую под прямым углом трубку так, что опущенный конец трубки горизонтален и обращен отверстием в сторону движения. Другой конец трубки, находящийся в воздухе, вертикален. На какую высоту по отношению к уровню воды в озере поднимается вода в трубке? Трением пренебречь.

3. На тележке стоит сосуд с водой. Тележка движется в горизонтальном направлении с ускорением 0,3 g. Какой угол с горизонтом составляет поверхность воды?

4. С какой скоростью вытекает вода из отверстия в дне бака, наполненного до высоты 4,6 м? Вязкость не учитывать.

5. В дне бака высотой 50 см, полностью заполненного водой, имеется отверстие площадью 1 см², значительно меньшей площади сечения бака. Если открыть отверстие, то из него начнет вытекать вода и падать вниз. Чему равна площадь сечения струи на высоте 20 см ниже дна?

Вопросы:

1. Почему при сильном ветре нижняя часть облаков, плывущих над нами, заметно отстает от движущихся с большей скоростью верхних их частей?

2. Если обдувать потоком воздуха одно из колен сообщающегося сосуда, то уровень жидкости в нем повышается. Почему?

3. Почему вблизи стены здания винт вертолета стремится перевернуться и "присосаться" к ней своей плоскостью?

4. Почему легкая пластиковая занавеска в ванной во время приема душа упорно стремится налипнуть на голое тело?

5. Почему самое быстрое место в русле реки обычно оказывается и самым глубоким?

6. Правда ли, что человека, попавшего в водоворот, затягивает на дно?

7. По трубе переменного сечения течет вода. В трубу поместили эластичный резиновый мячик. Как изменится его диаметр при прохождении узкой части трубы? (Эмболия).

8. Почему нельзя стрелять под водой из обыкновенного автомата?

9. Как зарождается волна на море под действием ветра?

10. Как передается волнам энергия ветра?

11. Во сколько раз возрастает полезная мощность вентилятора при увеличении скорости вращения в два раза?

12. В Долине Смерти на юго-западе США скорость ветров достигает 145 км/ч, под действием которых перемещаются на значительные расстояния камни массой порядка 300 кг. Как объяснить это явление?

13. Объясните действие "сосуда Мариотта", из которого жидкость вытекает все время с одинаковой скоростью.

IV. § 52.

1. Предложите конструкцию прибора для измерения скорости судна относительно воды (лаг).

2. Два тела уравновешены на весах с разными плечами. Равновесие не нарушается, если поменять их местами и опустить в воду. Определить соотношение плеч весов.

3. Исследуйте зависимость между объемом пузырька воздуха и скоростью его движения в трубке с водой.

4. Найти среднюю плотность деревянного стержня.

5. Оцените время вытекания воды из бутылки, которая вращается вокруг вертикальной оси, проходящей через ее центр, с некоторой угловой скоростью.

6. Постройте график вытекания воды из самовара, отложив по оси абсцисс номер наполняемого стакана, а по оси ординат – время его наполнения.

Техника давно познала высокую цену науки и ее влиянию обязана своим современным блестящим развитием.

Н.Е. Жуковский

Поиск по сайту: