Механическая работа и мощность силы

Слайд 1. Механическая работа и мощность силы

Физика, 10 класс. Изучаем энергию и её передачу в механических системах.

Слайд 2. Что такое механическая работа?

В физике работа совершается только тогда, когда на тело действует сила и оно перемещается. Если вы толкаете стену, которая не двигается, с точки зрения физики работа равна нулю. Формула работы: $A=F\cdot s\cdot \cos \alpha$, где $F$ — модуль силы, $s$ — перемещение, $\alpha$ — угол между ними.

Слайд 3. Векторная схема силы и перемещения

Слайд 4. Три случая работы в зависимости от угла

$\alpha <90^{\circ }$. Сила способствует движению. $\cos \alpha >0$, значит $A>0$. Пример: сила тяги двигателя.

$\alpha =90^{\circ }$. Сила перпендикулярна движению. $\cos \alpha =0$, значит $A=0$. Пример: сила тяжести при движении по горизонтали.

$\alpha >90^{\circ }$. Сила препятствует движению. $\cos \alpha <0$, значит $A<0$. Пример: сила трения скольжения.

Слайд 5. Примеры отсутствия работы

1. Статическое усилие: Штангист удерживает тяжелую штангу над головой неподвижно. Сила огромна, но перемещение $s=0$, поэтому работа не совершается.

2. Движение по инерции: Тело движется в космосе без воздействия внешних сил. Перемещение есть, но сила $F=0$, работа не совершается.

Слайд 6. Геометрический смысл работы

Слайд 7. Мощность силы

Мощность — это физическая величина, характеризующая быстроту выполнения работы.

Обозначается латинской буквой $P$ (в некоторых учебниках $N$).

Равна отношению работы $A$ к промежутку времени $t$, за который она совершена: $P=\frac{A}{t}$.

Показывает, сколько джоулей работы совершается за одну секунду.

Слайд 8. Мгновенная мощность и скорость

Если тело движется равномерно, мощность можно выразить через скорость. Подставим формулу работы в формулу мощности: $P=\frac{F\cdot s\cdot \cos \alpha }{t}$. Так как скорость $v=\frac{s}{t}$, получаем: $P=F\cdot v\cdot \cos \alpha$. Из этой формулы следует важный практический вывод: при постоянной мощности двигателя, чтобы увеличить силу тяги (например, при подъеме в гору), необходимо снизить скорость.

Слайд 9. Единицы измерения в СИ

Ватт — очень маленькая единица для техники, поэтому часто используют киловатты (1 кВт = $10^3$ Вт) и мегаватты (1 МВт = $10^6$ Вт).

Слайд 10. Типичные значения мощности (кВт)

Сравнение показывает, насколько современные машины превосходят мускульную силу человека и животных.

Слайд 11. Коэффициент полезного действия (КПД)

В любом реальном механизме часть работы тратится на преодоление сил трения и сопротивления среды. Полезная работа $A_{\text{п}}$ всегда меньше полной (затраченной) работы $A_{\text{з}}$. Отношение полезной работы к полной называется КПД: $\eta =\frac{A_{\text{п}}}{A_{\text{з}}}\cdot 100\%$. КПД всегда строго меньше $100\%$.

Слайд 12. Алгоритм решения задач

1. Выполните чертеж и укажите направления векторов силы $\vec{F}$ и перемещения $\vec{s}$.

2. Определите угол $\alpha$ между ними.

3. Если на тело действует несколько сил, найдите работу каждой силы отдельно или работу равнодействующей.

4. При расчете мощности убедитесь, что время $t$ переведено в секунды.

5. Если в условии дана скорость, используйте формулу $P=Fv\cos \alpha$.

Слайд 13. Вопросы для обсуждения

Может ли работа силы трения быть положительной? Приведите пример.

Почему при переключении на пониженную передачу автомобиль легче едет в гору?

Совершает ли работу сила тяжести, действующая на искусственный спутник Земли при движении по круговой орбите?

В каких единицах электросчетчик измеряет потребленную энергию (работу тока)?

Слайд 14. Основные итоги

Работа совершается при наличии силы и перемещения: $A=Fs\cos \alpha$.

Работа может быть положительной, отрицательной или нулевой.

Мощность — это скорость совершения работы: $P=A/t=Fv$.

Эффективность любого механизма оценивается через КПД, который всегда меньше 1.