Визначення потужності, що розвивається школярами в процесі життєдіяльності
Механіка відносно проста, механічні явища зустрічаються нам на кожному кроці. Цей розділ фізики, об'єднує кілька загальних законів, користується загальними механічними поняттями. Користуючись методами механіки, можна не тільки пояснити побачене, а й створювати нове або вдосконалити механізм. Важливу роль у фізиці мають фізичні величини - робота і потужність. У повсякденному житті словом «робота» ми називаємо всякий корисна праця робітника, інженера, вченого і учня. Але у фізиці, поняття роботи, дещо інше. Потужність - це швидкість виконання роботи. Робота і потужність - певні фізичні величини, а значить, їх можна виміряти.
Поняття про роботу і потужності ми отримуємо в 7 класі. Тема дуже важлива і цікава, так як, купуючи будь-які прилади, ми обов'язково дивимося в паспорті яка його потужність. Адже нам не байдуже, як швидко відбувається та чи інша робота в побуті і техніці, а для цього ми повинні знати дані фізичні величини.
1. Механічна робота і потужність
Поїзд рухається під дією сили тяги електровоза, при цьому відбувається механічна робота. При пострілі з рушниці сила тиску порохових газів робить роботу - переміщує кулю вздовж стовбура, швидкість кулі при цьому збільшується. Значить, механічна робота здійснюється, коли тіло рухається під дією сили.
Механічна робота виконується і тоді, коли сила, діючи на тіло (наприклад, сила тертя) зменшує швидкість його руху. Бажаючи пересунути шафу, ми з силою на нього натискаємо, але якщо він при цьому в рух не приходить, то механічної роботи ми не робимо.
Можна уявити собі випадок, коли тіло рухається без участі сил (за інерцією), в цьому випадку механічна робота також не здійснюється.
На вчинення однієї і тієї ж роботи різних двигунів потрібен різний час. Наприклад, підйомний кран на будівництві за кілька секунд піднімає на верхній поверх будівлі сотні цегли. Якби ці цеглини перетягував робочий, то йому для цього треба було б кілька годин.
Роботою постійної сили називається фізична величина, що дорівнює добутку модулів сили і переміщення, помноженому на косинус кута між векторами сили і переміщення
Цей вираз показує, що робота є скалярною величиною і може мати позитивне або негативне значення в залежності від знака косинуса кута ά.
Робота, що здійснюється силою F, позитивна, якщо кут ά. Між векторами сили і переміщення менше 900
При значеннях кута 900 <ά. ≤ 1800 робота сили негативна.
Якщо вектор сили перпендикулярний вектору переміщення, то косинус кута ά дорівнює нулю і робота сили F дорівнює нулю.
Якщо переміщення відбувається в сторону, протилежну напрямку сили, т. Е. Ά = 1800. то cosά = -1, і тоді А = - F · S. Значить, робота сили негативна.
При збігу напрямку переміщення з напрямком сили робота чисельно дорівнює площі, обмеженої кривою залежності модуля сили від пройденого шляху.
Якщо напрям сили і переміщення протилежні, то робота дорівнює цій же площі, але взятій зі знаком «-»
Важливою характеристикою роботи машин і механізмів є потужність.
Потужність - фізична величина, що дорівнює відношенню роботи до проміжку часу, протягом якого вона зроблена:
Тут Δt - проміжок часу настільки малий, що модуль сили F і кут між силою і переміщенням можна вважати постійними.
Замінивши Δ А виразом F · ΔS cosά і врахувавши, що Δ S / Δt є модуль швидкості, отримаємо вираз для потужності:
N = F ύ cos ά, де ά - кут між векторами F і ύ
Таким чином, для вимірювання потужності механізму необхідно знати величину сили, з якою його рухомі частини діють один на одного, і швидкості їх переміщення.
Якщо величина Δ А / Δt змінюється з часом, то говорять про миттєву потужності:
N = lim Δ → 0 Δ А / Δt
Вхідна в цей вислів елементарна робота визначається скалярним твором здійснює роботу сили F на мале переміщення Δ S точки прикладання цієї сили за розглянутий час (4)
2. 2 Одиниці виміру роботи і потужності
Одиниця роботи в СІ називається Джоулем (Дж)
Джоуль дорівнює роботі, яку здійснюють силою 1 Н при переміщенні точки її застосування на 1м в напрямку дії сили:
Одиниця потужності в Сі називається ВАТ (Вт)
Одиницею потужності є така потужність, при якій за одну секунду відбувається робота, рівна одному джоулю.
У техніці користуються найбільшими одиницями - кіловат і мегават:
1 кВт = 1000 Вт (103)
1 МВт = 1000000 Вт (106)
Робота, що здійснюється за 1 годину при потужності в 1 кВт, називається кіловатом:
1 кВт · год = 103 Вт · 3600С = 3,6 · 106 Дж.
У техніці іноді застосовується одиниця потужності, іменована, кінської силою (л. С.) І рівна, 736 Вт
Часто, не вникаючи в можливі зміни сили або швидкості руху механізму в процесі здійснення роботи, його характеризують середньою потужністю - відношенням роботи до проміжку часу, за який ця робота була здійснена. На відміну від миттєвої потужності проміжок часу в цьому визначенні не обов'язково повинен бути малим.
3. Потужність людини
Найважливішою характеристикою вправ, які ми виконуємо на уроках фізкультури або в спортивних секціях, є їх потужність. З огляду на, що вона відносно постійна циклічних вправах, їх можна класифікувати за середньої потужності навантаження протягом будь-якого (достатньо довгого) відрізка часу виконання вправи. Протягом виконання ациклічних вправ виділяють періоди найбільшої активності (потужності) робочі періоди, чередуемие з проміжними періодами щодо невисокої активності (потужності), аж до повного відпочинку (нульовий потужності).
Механічна, або фізична, потужність виконуваного вправи вимірюється фізичними величинами в ватах, (іноді в кг м / хв). Вона визначає фізичне навантаження. У переважній більшості випадків дуже важко досить точно виміряти фізичну потужність спортивних вправ. У циклічних вправах потужність (фізичне навантаження) і швидкість переміщення (при незмінній техніці виконання рухів) пов'язані лінійною залежністю: чим більше швидкість, тим вище фізичне навантаження. Сукупність фізіологічних (і психофізіологічних) реакцій організму на дану фізичне навантаження дозволяє визначити фізіологічну потужність навантаження або фізіологічну навантаження на організм працюючої людини. «Фізіологічна навантаження» або «фізіологічна потужність» поняття близькі до терміну «тяжкість роботи». У кожної людини при виконанні вправи одного і того ж характеру в однакових умовах зовнішнього середовища фізіологічна потужність навантаження знаходиться в прямій залежності від фізичного навантаження. Наприклад, чим вище швидкість бігу, тим більше фізіологічне навантаження. Однак, однакова фізичне навантаження викликає неоднакові фізіологічні реакції у людей різного віку та статі, у людей з неоднаковим ступенем функціональної підготовленості (тренованості), а також у одного і того ж людини в різних умовах (наприклад, при підвищених або знижених температурі або тиску повітря) . Крім того, різні фізіологічні реакції спостерігаються у одного і того ж людини при однаковій за потужністю фізичного навантаження, що виконується різними м'язовими групами (руками або ногами) або при різних положеннях тіла (лежачи або стоячи).
Потужність навантаження в аеробних вправах така, що енергозабезпечення робочих м'язів може відбуватися (головним чином або винятково) за рахунок окислювальних (аеробних) процесів, пов'язаних з безперервним споживанням організмом і витрачанням працюючими м'язами кисню. Тому потужність в цих вправах можна оцінювати за рівнем (швидкості) дистанційного споживання О2. Якщо дистанційне споживання О2 співвіднести суміжної аеробного потужністю у даної людини (т. Е. З його індивідуальним МПК, або «кисневим стелею»), то можна отримати уявлення про відносну аеробного фізіологічної потужності виконуваного їм вправи. За цим показником серед аеробних циклічних вправ виділяються п'ять груп:
1) вправи максимальної аеробного потужності
2) вправи околомаксимальной аеробного потужності
3) вправи субмаксимальної аеробної потужності
4) вправи середньої аеробної потужності
5) вправи малої аеробної потужності
Зі збільшенням тривалості аеробних вправ підвищується температура тіла, що висуває підвищені вимоги до системи терморегуляції.
Людина - частина природи, і його тіло підпорядковується тим же законам фізики. Сократовському «Пізнай самого себе» мною розуміється, в тому числі, і як пізній своє тіло і ті фізичні закони, яким воно підпорядковується. У зв'язку з цим, я провела ряд практичних робіт.
1. Визначення роботи і потужності рук
У ролі досліджуваної групи - учні 11Б класу МОУ СЗШ № 30
1. Вимірюємо масу тіла за допомогою підлогових ваг
2. У спортивному залі школи, учні (по-черзі) піднімаються по канату без допомоги ніг, я заміряю час підйому (t)
3. Вимірюємо висоту (h) на яку піднявся юнак
4. Розраховую роботу рук при підйомі по формулі A = mgh
5. Розраховую потужність їх рук: N = A / t
6. Заповнюю таблицю
Ім'я учня Маса m Висота підйому Час підйому Робота рук Потужність рук
(Кг) Н, м t (с) A (Дж) N (Вт)
Павло - 1 73 6 4,95 4292,4 867,2
Павло - 2 61 6 6,93 3586,8 517,6
Філіп 70 5 11,47 3360 292,9
Арман 65 3 16,43 1911 116,3
Руслан 60 6 10,84 3528 325,5
Ілля 57 5,7 7,83 3184,02 406,6
Механічна робота і потужність рук при підйомі по канату без допомоги ніг:
1. Не залежать від маси тіла
1. Залежать від висоти, на яку піднімаються по канату, т. Е. Від відстані, яку проходить тіло
2. Залежать від часу підйому (швидкості руху)
3. Чим більше час руху по канату, тим менше потужність рук
4. Чим більше механічна робота, тим більше потужність
2. Визначення механічної роботи при підйомі штанги
У ролі досліджуваної групи - учні дитячої спортивної школи «Юність», секція - важка атлетика
• Класичний ривок - поштовх штанги
• Жим штанги від грудей стоячи
• Підйом штанги на біцепс стоячи
1. Визначаємо масу штанги, яку будуть піднімати
2. Засікаємо час підняття штанги годинами з секундною стрілкою
3. Визначаємо висоту підняття штанги
4. Обчислюємо досконалу роботу і потужність
5. Заповнюємо таблицю
Класичний ривок - поштовх штанги
Ім'я учня Маса штанги m Маса спортсмена Висота підйому Час підйому Робота Потужність
(Кг) (кг) Н (м) t (с) A (Дж) N (Вт)
Андрій 70 75 2, 04 5 1399,4 279,9
Олег 65 65 1,94 5 1235,8 247,2
Василь 50 60 1,98 6 970,2 161,7
Жим штанги від грудей стоячи
Ім'я учня Маса штанги m Маса спортсмена Висота підйому Час підйому Робота Потужність
(Кг) (кг) Н (м) t (с) A (Дж) N (Вт)
Андрій 50 75 0,66 1,5 323,4 215,6
Олег 55 65 0,55 1,5 296,5 197,6
Василь 30 60 0,71 1,5 208,74 139,2
Підйом штанги на біцепс, стоячи
Ім'я учня Маса штанги m Маса спортсмена Висота підйому Час підйому Робота Потужність
(Кг) (кг) Н (м) t (с) A (Дж) N (Вт)
Андрій 42 75 0,56 2 230,5 115,2
Олег 42 65 0,54 2 222,3 111,1
Василь 27 60 0,56 2 148,2 74,1
Висновок: Механічна робота і потужність при підйомі штанги залежать від маси штанги (прямо пропорційно), висоти підйому штанги (прямо пропорційно).
3. Визначення середньої потужності, що розвивається при бігу на дистанцію 20 м
У ролі досліджуваної групи - учні 8Б класу МОУ СЗШ № 30
1. Вимірюємо масу тіла вагами
2. Пробігши дистанцію 20 м, засікаємо час за яке долається дистанція
3. Вважаючи рух рівноприскореним, обчислюємо середню потужність, що розвивається при бігу:
N cp = Δ W / t = mv2 / 2t = 2ms2 / t3. при s = v cp t = vt / 2
Дані заносимо в таблицю:
Ім'я учня Маса m Відстань, Час бігу Середня потужність, що розвивається при бігу
(Кг) яке пробігають t (с)
Катя 40 20 3,42 800
Рита 50 20 4,41 466
Даша 55 20 3,69 876,5
Аня 50 20 3,37 1044,5
Артем 50 20 3,55 894,9
Анжела 44 20 3,33 953,9
При одній і тій же масі тіла і довжині дистанції, потужність залежить від часу. Чим більше час, витрачається на подолання дистанції, тим менше потужність
3. 4 Вимірювання потужності, що розвивається при підйомі по сходах
1. Опустивши в сходовий проліт грузик на міцному шнурі, робимо на ньому відмітку, коли грузик досягне підлоги першого поверху. Вимірюємо висоту сходів (Н)
2. За секундоміром визначаємо час, витрачений нами на підйом по сходах
3. Вимірюємо масу свого тіла
4. Обчислюємо потужність, що розвивається при підйомі:
5. Отримані результати заносимо в таблицю
Ім'я учня Маса Висота Час підйому Потужність тіла сходи t (с) N (Вт)
Іра 65 6, 44 19 215,9
Даша 59 6,44 10 372,4
Антон 50 6,44 9 350,6
При одній і тій же висоті сходів, потужність залежить від часу, витрачений нами на підйом. Чим більше час, витрачається на підйом по сходах, тим менше потужність.
4. Визначення середньої потужності, що розвивається при присіданні
1. Вимірюємо висоту попереку (Н)
2. Вимірюємо висоту свого тіла h в положенні «присівши» (центр ваги тіла при цьому знаходиться приблизно на висоті 0,5 h)
3. Вимірюємо масу свого тіла за допомогою терезів
4. Робимо n присідань за проміжок часу (t)
5. Обчислюємо розвивається потужність по формулі:
N = n mg (H - 0,5 h) / t
6. Отримані результати заносимо в таблицю
Ім'я учня Маса тіла Висота попереку Висота тіла в Кількість присідань Час присідань Потужність m (кг) Н (м) положенні «присівши» n t (с) N (Вт)
Іра 65 1 1,045 20 27 225,2
Даша 59 1,13 1,13 22 23,48 306,1
Антон 50 0,96 0,99 24 25,12 217,7
Потужність, що розвивається при присіданні залежить від маси тіла, кількості присідань, висоти тіла в положенні «присівши», висоти попереку і час, витрачений нами на присідання. Чим більше час, витрачається на присідання, тим менше потужність. Чим більше маса людини і кількість присідань, тим більше його потужність
IV. ПОХИБКИ ИЗМЕРЕНИЙ
Вимірювання поділяються на прямі і непрямі. Прямими називається вимір, в якому результат знаходиться при зчитуванні з шкали приладу. Непрямим називається вимір, в якому результат знаходиться на основі розрахунків.
Істинне значення вимірюваної величини визначити неможливо з багатьох причин і, перш за все, тому, що обмежена відтворення зразка.
Величина A вважається виміряної, якщо вказана не тільки сама величина, але і межа її абсолютної похибки Δ A:
Якість вимірювань визначається відносною похибкою ε:
Ε = (Δ A / A вим) 100%
Похибка прямого виміру складається з похибки засобів вимірювання (визначається на заводі-виробнику, кожен прилад має клас точності γ) і похибки приладу. Похибка приладу визначається так:
Δ A приб = γ A max / 100 A max - межа вимірювання даного приладу
Похибка відліку дорівнює, а точніше не більше половини ціни поділки шкали.
При знаходженні потужності я використовувала фізичні прилади: підлогові ваги, секундомір, вимірювальну стрічку і вимірювальну лінійку.
Абсолютні інструментальні похибки засобів вимірювань:
3. Лінійка учнівська чертежная інструментальна (сталева) демонстраційна
4. Вимірювальна стрічка Δ приб = ± 0,5 см
На підставі проведених теоретичних і натурно - експериментальних досліджень залежності потужності людини від ряду фізичних величин зроблені наступні висновки:
1. Вирішено поставлена задача: виявлено взаємозв'язок Людина і Природа
2. Я переконалася в тому, що людина - частина природи і підкоряється тим же законам фізики.
3. За допомогою натурних експериментів, інструментальних досліджень, математичних розрахунків і таблиць, вдалося вирішити поставлене завдання: знайти залежність роботи і потужності людини від маси тіла, висоти підйому тіла, часу, протягом якого відбувається та чи інша робота.
4. Потужність людини залежить прямо пропорційно від: маси тіла, швидкості його руху, відстані, яке він долає і висоти підйому тіл
5. Потужність залежить обернено пропорційно від часу, протягом якого людина робить ту чи іншу роботу.
6. Істинне значення будь-якого фізичного величини неможливо визначити бо обмежена відтворення зразка. Фізична величина вважається виміряної, якщо вказана не тільки сама величина, а й межі її абсолютної похибки.