Механічна робота. Потужність

___________

План-конспект

уроку фізики  у 8 класі

Тема уроку:  Механічна робота. Потужність

Мета уроку: навчальна – сформувати поняття роботи й її одиниць; навчити учнів обчислювати механічну роботу; сформувати в учнів поняття потужності як фізичної величини, що характеризує швидкість виконання роботи.

  розвивальна – формувати в учнів вміння користуватися науково-популярною літературою та виявлення творчих здібностей при розв’язуванні вправ;

виховна – виховати трудолюбивість, точність і чіткість при відповідях  і розв’язуванні завдань та навчити дітей  «бачити» фізику навколо себе.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу

Обладнання:

План уроку

1.        Що таке механічна робота?
2.        Коли робота дорівнює нулю?
3.       Робота різних сил
4.        Потужність.
5.        Одиниця потужності.
6.       Як виразити потужність через силу й швидкість?
7.        Контрольні питання.
8.        Навчаємося розв’язувати задачі.
9.        Поміркуй і відповідай

І. Організаційна частина (привітання, перевірка д/з)

ІІ. Мотивація пізнавальної діяльності учнів

Оголошення теми і мети уроку

ІІІ. Вивчення нового матеріалу

1. Що таке механічна робота?

Слово «робота» у повсякденному житті має багато значень. Ми використовуємо його: а) для позначення професії (Ігор Юрійович працює вчителем); б) для позначення характеру діяльності (робота рятувальника небезпечна); в) для характеристики стану (холодильник працює); г) для оцінки результату праці (шахтарі виконали велику роботу); д) для характеристики складності праці (вантажник виконав нескладну роботу з переносу ваги) і т. ін.

Поняття «робота» у фізиці має певний сенс. Механічна робота (або робота сили) відбувається в тому випадку, коли відбувається рух тіла під дією сили. Прикладів можна навести багато: щораз, коли ми самі що-небудь піднімаємо, пересуваємо, переносимо, відбувається механічна робота.

Французький учений Віктор Понселе на початку ХІХ століття писав: «Дії, виконувані різними двигунами, нескінченно різноманітні. Щоб мати можливість порівнювати їх між собою, треба ввести величину, що для всіх двигунів служила б загальною мірою». Такою мірою Понселе запропонував уважати добуток сили на переміщення точки її прикладання. Таку величину він назвав механічною роботою.

• Якщо напрямок сили збігається з напрямком переміщення точки прикладання сили, робота A дорівнює добутку модуля сили на модуль переміщення: .

Одиницею роботи, як слідує з визначення, є 1 Дж = 1 H·1м, тобто робота, виконана силою в 1 Н при переміщенні точки прикладання сили на 1 м у напрямку дії сили.

Робота — скалярна величина, але скалярні величини можуть бути позитивними, негативними або рівними нулю. Якщо напрямок руху тіла збігається з напрямком прикладеної сили, то ця сила виконує додатну роботу і її обчислюють за формулою.

Якщо напрямок руху протилежний напрямку дії сили, то ця сила виконує від’ємну роботу і її обчислюють за формулою: .

Якщо кинути, наприклад, м’яч вертикально угору, то під час польоту м’яча на нього діє сила ваги, спрямована вниз протилежно переміщенню. Робота сили ваги в цьому випадку від’ємна.

2. Коли робота дорівнює нулю?

З формули для роботи сили випливає, що у випадку, коли хоча б один зі співмножників (сила F або переміщення s) дорівнює нулю, робота дорівнює нулю — незалежно від величини іншого співмножника.

Виходить, робота дорівнює нулю:

а) якщо переміщення дорівнює нулю;

б) якщо сила перпендикулярна до переміщення: адже в цьому випадку переміщення тіла в напрямку дії сили також дорівнює нулю;

в) якщо сила, що діє на тіло, дорівнює нулю.

Наприклад, якщо м’яч котиться по землі в горизонтальному напрямку, то сила ваги буде перпендикулярна до напрямку руху й роботи не виконає: A = 0. Тіла, що лежать на столі, чинять тиск на стіл, але роботи не виконують. Під час руху планети по круговій орбіті навколо Сонця робота сили притягання дорівнює нулю. Якщо тіло рухається за інерцією, то при цьому не відбувається механічної роботи, тому що в цьому випадку є переміщення, але немає діючої сили.

3. Робота різних сил

а) Робота сили тяжіння

Коли тіло рухається вниз, напрямок сили тяжіння збігається з напрямком переміщення. При цьому робота сили тяжіння додатна й дорівнює нулю: .

Коли тіло рухається угору, сила тяжіння спрямована протилежно переміщенню. Тому під час руху тіла угору робота сили тяжіння від’ємна й дорівнює .

б) Робота сили пружності

Коли стисла пружина розпрямляється, сила пружності, що діє з її боку, спрямована так само, як переміщення, тому робота сили пружності додатна. При цьому деформація пружини зменшується, тобто при зменшенні деформації сила пружності пружини виконує додатну роботу.

Коли ми стискаємо недеформовану пружину, сила, що діє з боку пружини, спрямована протилежно деформації. Виходить, при збільшенні деформації сила пружності пружини виконує від’ємну роботу.

в) Робота сил тертя

Сила тертя ковзання або кочення спрямована завжди протилежно швидкості, а, отже, і переміщенню тіла, тому робота сили тертя ковзання або кочення від’ємна.

Необхідно звернути увагу на істотну відмінність сил тертя ковзання й кочення від сил тяжіння й пружності. У результаті дії сили тяжіння або пружності швидкість тіла може як збільшуватися, так і зменшуватися: у першому випадку робота додатна, у другому — від’ємна. А в результаті дії сили тертя ковзання або кочення швидкість тіла завжди зменшується: робота цих сил завжди від’ємна.

У розглянутих вище прикладах на тіло діяла тільки одна сила. Якщо на тіло, що рухається, діє кілька сил, то кожна з них може виконувати роботу. При цьому можна підрахувати й роботу кожної з них окремо, й роботу рівнодійної цих сил.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1. Яку фізичну величину називають роботою?
2. У яких випадках механічна робота дорівнює нулю? Додатна?Від’ємна? Наведіть приклади.
3. Чому дорівнює робота сили, коли напрямок сили збігається з напрямком переміщення? Коли сила спрямована протилежно переміщенню?
4. Чи можуть сили, які діють на тіло, що рухається, виконувати одна — додатну роботу, а інша — від’ємну? Наведіть приклад, що ілюструє вашу відповідь.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Горизонтальна сила 8 Н, прикладена до бруска, змушує його рухатися зі швидкістю 4 см/с. Яку роботу виконала ця сила за 15 с?

Розв’язок. Скористаємося визначенням роботи: . При цьому пройдений шлях дорівнює: . Остаточно одержуємо: .

Перевіряємо одиниці величин:

.

Обчислюємо роботу: .

2. Визначте роботу, виконувану при підйомі гранітної плити об’ємом 0,3 м³ на висоту 4 м.

3. Людина штовхає візок, прикладаючи горизонтальну силу 50 Н. При цьому візок рухається рівномірно. Яка його швидкість, якщо за 2 хв виконана робота, що дорівнює 12 кДж?

4. Чи може сила тертя спокою виконувати роботу? Якщо так, наведіть приклад.

Розв’язок. Може. Наприклад, коли людина піднімає вертикально лом, обхопивши його пальцями, роботу виконує сила тертя спокою, що діє на лом з боку руки.

2. Поміркуй і відповідай

1. На пружині нерухомо висить вантаж. Чи виконує роботу сила пружності, що діє на вантаж? Сила тяжіння?

2. Чи виконує роботу сила ваги, що діє на м’яч, коли він: а) лежить на землі; б) летить у футбольні ворота?

3. При рівномірному підйомі вантажу на 10 м виконана робота 1 кДж. Яка вага вантажу? Яка його маса?

4. Вантаж вагою 10 Н рівномірно підняли, виконавши роботу 200 Дж. На яку висоту підняли вантаж?

1. Потужність

Гляньте на рисунок: копач й екскаватор почали працювати одночасно. При цьому за однакову кількість часу копач виконав менше роботи. Тому говорять, що потужність екскаватора більше, ніж потужність копача.

Очевидно, потужність більше в тій ситуації, де відбувається більше роботи за той самий час. І, навпаки: потужність менше в тій ситуації, де відбувається менше роботи за той самий час. Отже,

• потужність характеризує швидкість виконання роботи й обчислюється за формулою:

.

де N — потужність, А — виконана робота, t — проміжок часу, за який ця робота виконана.

2. Одиниця потужності

Для вимірювання потужності використовується одиниця ват (Вт). Це потужність, за якої робота в 1 Дж виконується за 1 с:

.

Одиниця потужності названа ватом на честь англійського винахідника Джеймса Уатта, що створив першу парову машину. У техніці часто застосовують більші одиниці потужності — кіловат (кВт) і мегават (МВт).

Потужність є важливою характеристикою будь-якого двигуна. Потужності двигунів, створених людиною, можуть коливатися в дуже широких межах: від часток вата (двигун електричної бритви) до сотень і тисяч мегават (ракетний двигун).

3. Як виразити потужність через силу й швидкість?

Потужність транспортного засобу, наприклад, автомобіля,  зручно виражати не через роботу й час, а через силу й швидкість. Нехай тіло рухається з постійною швидкістю й сила, що діє на це тіло, спрямована уздовж переміщення тіла.

Позначимо модуль швидкості v, а модуль сили F. Оскільки , а , одержуємо:

,

тобто потужність дорівнює добутку сили на швидкість.

Під час руху з постійною швидкістю сила тяги двигуна компенсує силу опору руху. Наведена формула для потужності пояснює, чому водій робить перемикання на малу швидкість, коли автомобіль їде нагору по схилу: щоб збільшити силу тяги при тій же потужності мотора, необхідно зменшити швидкість руху.

Питання до учнів у ході викладу нового матеріалу

1.    Що необхідно знати, щоб визначити виконану роботу, не вимірюючи шлях?
2.    Які одиниці потужності використовуються в техніці? Наведіть приклади.
3.    Чому потужність пов’язана зі швидкістю руху?
4.    Як розрахувати роботу, знаючи потужність?

Закріплення вивченого матеріалу

1. Навчаємося розв’язувати задачі

1. Гоночний автомобіль, маса якого 500 кг, розвиває потужність 400 кВт. З якою швидкістю рухається цей автомобіль, якщо сила тяги дорівнює вазі автомобіля?

Розв’язок. Відповідно до визначення:

.

З іншого боку:

.

Звідси одержуємо:

.

Перевіряємо одиниці величин:

.

Обчислюємо шукану швидкість:

.

2. Кінь тягне віз зі швидкістю 3 м/с, прикладаючи силу 100 Н. Яку потужність розвиває кінь?

3. Яку потужність розвиває школяр масою 50 кг, добігаючи з 1-го поверху на 5-й за півхвилини? Висоту поверху прийміть рівною 3 м.

4. Двигун автомобіля, розвиваючи потужність 10 кВт, виконав роботу 1,2 МДж. За який час була виконана ця робота?

5. Гиря годинника має масу 800 г і за добу опускається на 120 см. Яка потужність такого механізму?

2. Поміркуй і відповідай

1. Два однакових за розміром й конструкцією кораблі розвивають різну потужність. Чи з однаковою швидкістю будуть рухатися ці кораблі?

2. Автомобіль в’їжджає в гору, зберігаючи постійною потужність двигуна. Чому при цьому зменшують швидкість його руху?

3. Чому при розгоні двигун автомобіля розвиває більшу потужність, ніж при рівномірному русі?

4. Першокласник і десятикласник навперегони піднімаються сходами на другий поверх школи. Фінішували вони одночасно. Чи однакову роботу вони виконали? Чи однакову потужність розвивали?

5. Збільшується чи зменшується швидкість руху судна щодо води при його переході з ріки в море? Уважайте, що при цьому потужність, яку розвивають двигуни, і число обертів гвинта не змінюються.

V. Домашнє завдання

Опрацювати теоретичний матеріал за підручником та виконати вправи після параграфа §
Завдання для самостійної роботи «Механічна робота. Потужність»

Початковий рівень

1. Виберіть правильне твердження. У якому з перерахованих нижче випадків не відбувається механічна робота?

А М’яч падає з деякої висоти.

Б Книга лежить на столі.

В Кінь тягне сани по горизонтальній дорозі.

2. Яка потужність електродвигуна, що за 10 хв виконує роботу 240 кДж? Виберіть правильну відповідь.

А 400 Вт;

Б 12 кВт

В 24 кВт.

Середній рівень

1. Автокран, піднімаючи вантаж масою 1,5 т, виконав роботу 22,5 кДж. На яку висоту піднятий при цьому вантаж?

2. Скільки часу повинен працювати двигун потужністю 25 кВт, щоб виконати роботу 36 000 кДж?

Достатній рівень

1. а) Тіло підвішене до пружини й перебуває в рівновазі. Чи виконує роботу сила пружності, що діє на тіло? Сила ваги?

б) Кінь тягне віз, докладаючи зусилля 350 Н, і виконує за 1 хв роботу в 42 кДж. З якою швидкістю рухається кінь?

2. а) Чи однакову потужність розвивають двигуни вагона трамвая, коли він рухається з однаковою швидкістю без пасажирів і з пасажирами?

б) З якою швидкість рухається трактор, якщо він розвиває силу тяги 60 кН при потужності 60кВт?

Високий рівень

1. а) З лука вистрілили стрілою під кутом до горизонту. Стріла описала в польоті параболу. Чи виконувала сила ваги роботу, коли: а) стріла піднімалася в точку найвищого підйому;

б) опускалася вниз на землю?

б) Кінь рівномірно везе сани масою 300 кг зі швидкістю 2 м/с.

Яку частку від ваги саней становить сила тертя, якщо за 1 год

робота з переміщення саней складає 2,1 МДж?

2. а) Тіло рухається з постійною швидкістю по горизонтальній поверхні стола. Чи виконує під час цього руху роботу сила ваги?

б) Яку роботу треба виконати, щоб підняти із дна ріки до поверхні води камінь масою 3 кг й об’ємом 1,2 дм³? Глибина ріки 4 м. Опором води можна знехтувати.