Цели урока:
- Познакомиться с мощностью как новой физической величиной;
- Развивать умения выводить формулы, пользуясь необходимыми знаниями прошлых уроков; развивать логическое мышление, умение анализировать, делать выводы;
- Применять знания по физике в окружающем мире.
Ход урока
«И вечный бой! Покой нам только снится
Сквозь кровь и пыль…
Летит, летит степная кобылица
И мнет ковыль…
И нет конца! Мелькают вёрсты, кручи…
Останови! …Покоя нет! Степная кобылица несется вскачь!»А.Блок «На поле Куликовом» (июнь 1908 г). (Слайд 1).
Урок сегодня я хочу начать с вопросов к вам. (Слайд 2).
1. Как вы думаете, имеет ли какое-то отношение лошадь к физике?
2. С какой физической величиной связана лошадь?
Мощность – правильно, это и есть тема нашего урока. Запишем ее в тетрадь.
Действительно, мощность двигателей автомобилей, транспортных средств до сих пор измеряют в лошадиных силах. Сегодня на уроке мы с вами узнаем всё о мощности с точки зрения физики. Давайте подумаем вместе и определим, что мы должны знать о мощности, как о физической величине.
Существует план изучения физических величин: (Слайд 3).
- Определение;
- Вектор или скаляр;
- Буквенное обозначение;
- Формула;
- Прибор для измерения;
- Единица величины.
Этот план и будут целью нашего урока.
Начнем с примера из жизни. Вам необходимо набрать бочку воды для полива растений. Вода находится в колодце. У вас есть выбор: набрать при помощи ведра или при помощи насоса. Напомню, что в обоих случаях механическая работа, совершенная при этом будет одинаковой. Конечно же, большинство из вас выберут, насос.
Вопрос: В чем разница при выполнении одной и той же работы?
Ответ: Насос выполнит эту работу быстрее, т.е. затратит меньшее время.
1) Физическая величина, характеризующая быстроту выполнения работы, называют мощностью. (Слайд 4) .
2) Скаляр, т.к. не имеет направления.
5) [N] = [ 1 Дж/с] =
Название этой единицы мощности дано в честь английского изобретателя паровой машины (1784г) Джеймса Уатта. (Слайд 5).
6) 1 Вт = мощности, при которой за время 1 с совершается работа в 1 Дж. (Слайд 6).
Самолеты, автомобили, корабли и другие транспортные средства движутся часто с постоянной скоростью. Например, на трассах автомобиль достаточно долго может двигаться со скоростью 100 км/ч.(Слайд 7).
Вопрос: от чего зависит скорость движения таких тел?
Оказывается, она напрямую зависит от мощности двигателя автомобиля.
Зная, формулу мощности мы выведем еще одну, но для этого давайте вспомним основную формулу для механической работы.
Учащийся выходит к доске для вывода формулы. (Слайд 8).
Пусть сила совпадает по направлению со скоростью тела. Запишем формулу работы этой силы.
1.
2.При постоянной скорости движения, тело проходит путь определяемой формулой
Подставляем в исходную формулу мощности:
, получаем
-
мощность.
У нас получилась еще одна формула для расчета мощности, которую мы будем использовать при решении задач.
Мощность всегда указывают в паспорте технического устройства. И в современных технических паспортах автомобилей есть графа:
Мощность двигателя: кВт / л.с.
Следовательно, между этими единицами мощности существует связь.
Вопрос: А откуда взялась эта единица мощности? (Слайд 11).
Дж. Уатту принадлежит идея измерять механическую мощность в «лошадиных силах». Предложенная им единица мощности была весьма популярна, но в 1948 г. Генеральной конференцией мер и весов была введена новая единица мощности в международной системе единиц – ватт. (Слайд 12) .
1 л.с. = 735,5 Вт.
1 Вт = ,00013596 л.с.
Примеры мощностей современных автомобилей. (Слайд 13,14) .
Различные двигатели имеют разные мощности.
Учебник, страница 134, таблица 5.
Вопрос: А какова мощность человека?
Текс учебника , § 54. Мощность человека при нормальных условиях работы в среднем составляет 70-80 Вт. Совершая прыжки, взбегая по лестнице, человек может развивать мощность до 730 Вт, а в отдельных случаях и большую.
Вопрос: А чем «живые двигатели» отличаются от механических? (Слайд 15) .
Ответ: Тем, что «живые двигатели» могут изменять свою мощность в несколько раз.
Закрепление материала.
1.Расскажите все, что вы знаете о мощности. Ответ по плану изучения физической величины.
Ответ: N ≈ 2,9 кВт.
- § 54.
- Записать формулы мощности в таблицу формул.
- Упр. 29 (2,5) – 1 уровень.
- Упр. 29 (1,3) – 2 уровень.
- Упр. 29 (1,4) – 3 уровень.
- Задание 18 – на дополнительную оценку (на листочках).
Литература:
- А.В. Перышкин «Учебник физики для 7 класса», Дрофа, Москва, 2006.
- А. Блок «На поле Куликовом».
- 1C: Школа Физика 7 класс
Мгновенной мощностью называется произведение мгновенных значений напряжения и силы тока на каком-либо участке электрической цепи.
Мощность постоянного тока
Так как значения силы тока и напряжения постоянны и равны мгновенным значениям в любой момент времени, то мощность можно вычислить по формуле:
P = I ⋅ U {\displaystyle P=I\cdot U} .Для пассивной линейной цепи, в которой соблюдается закон Ома , можно записать:
P = I 2 ⋅ R = U 2 R {\displaystyle P=I^{2}\cdot R={\frac {U^{2}}{R}}} , где R {\displaystyle R} - электрическое сопротивление .Если цепь содержит источник ЭДС , то отдаваемая им или поглощаемая на нём электрическая мощность равна:
P = I ⋅ E {\displaystyle P=I\cdot {\mathcal {E}}} , где E {\displaystyle {\mathcal {E}}} - ЭДС.Если ток внутри ЭДС противонаправлен градиенту потенциала (течёт внутри ЭДС от плюса к минусу), то мощность поглощается источником ЭДС из сети (например, при работе электродвигателя или заряде аккумулятора), если сонаправлен (течёт внутри ЭДС от минуса к плюсу), то отдаётся источником в сеть (скажем, при работе гальванической батареи или генератора). При учёте внутреннего сопротивления источника ЭДС выделяемая на нём мощность p = I 2 ⋅ r {\displaystyle p=I^{2}\cdot r} прибавляется к поглощаемой или вычитается из отдаваемой.
Мощность переменного тока
В цепях переменного тока формула для мощности постоянного тока может быть применена лишь для расчёта мгновенной мощности, которая сильно изменяется во времени и для большинства простых практических расчётов не слишком полезна непосредственно. Прямой расчёт среднего значения мощности требует интегрирования по времени. Для вычисления мощности в цепях, где напряжение и ток изменяются периодически, среднюю мощность можно вычислить, интегрируя мгновенную мощность в течение периода. На практике наибольшее значение имеет расчёт мощности в цепях переменного синусоидального напряжения и тока.
Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности , удобно обратиться к теории комплексных чисел . Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность - мнимой частью, полная мощность - модулем, а угол (сдвиг фаз) - аргументом. Для такой модели оказываются справедливыми все выписанные ниже соотношения.
Активная мощность
Единица измерения в СИ - ватт .
Среднее за период T {\displaystyle T} значение мгновенной мощности называется активной электрической мощностью или электрической мощностью: P = 1 T ∫ 0 T p (t) d t {\displaystyle P={\frac {1}{T}}\int \limits _{0}^{T}p(t)dt} . В цепях однофазного синусоидального тока P = U ⋅ I ⋅ cos φ {\displaystyle P=U\cdot I\cdot \cos \varphi } , где U {\displaystyle U} и I {\displaystyle I} - среднеквадратичные значения напряжения и тока , φ {\displaystyle \varphi } - угол сдвига фаз между ними. Для цепей несинусоидального тока электрическая мощность равна сумме соответствующих средних мощностей отдельных гармоник. Активная мощность характеризует скорость необратимого превращения электрической энергии в другие виды энергии (тепловую и электромагнитную). Активная мощность может быть также выражена через силу тока, напряжение и активную составляющую сопротивления цепи r {\displaystyle r} или её проводимость g {\displaystyle g} по формуле P = I 2 ⋅ r = U 2 ⋅ g {\displaystyle P=I^{2}\cdot r=U^{2}\cdot g} . В любой электрической цепи как синусоидального, так и несинусоидального тока активная мощность всей цепи равна сумме активных мощностей отдельных частей цепи, для трёхфазных цепей электрическая мощность определяется как сумма мощностей отдельных фаз. С полной мощностью S {\displaystyle S} активная связана соотношением P = S ⋅ cos φ {\displaystyle P=S\cdot \cos \varphi } .
.
Вар определяется как реактивная мощность цепи с синусоидальным переменным током при действующих значениях напряжения 1 В и тока 1 А, если сдвиг фазы между током и напряжением π 2 {\displaystyle {\frac {\pi }{2}}} .
Реактивная мощность - величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, равна произведению среднеквадратичных значений напряжения U {\displaystyle U} и тока I {\displaystyle I} , умноженному на синус угла сдвига фаз φ {\displaystyle \varphi } между ними: Q = U ⋅ I ⋅ sin φ {\displaystyle Q=U\cdot I\cdot \sin \varphi } (если ток отстаёт от напряжения, сдвиг фаз считается положительным, если опережает - отрицательным). Реактивная мощность связана с полной мощностью S {\displaystyle S} и активной мощностью P {\displaystyle P} соотношением: | Q | = S 2 − P 2 {\displaystyle |Q|={\sqrt {S^{2}-P^{2}}}} .
Физический смысл реактивной мощности - это энергия, перекачиваемая от источника на реактивные элементы приёмника (индуктивности, конденсаторы, обмотки двигателей), а затем возвращаемая этими элементами обратно в источник в течение одного периода колебаний, отнесённая к этому периоду.
Необходимо отметить, что величина для значений φ {\displaystyle \varphi } от 0 до плюс 90° является положительной величиной. Величина sin φ {\displaystyle \sin \varphi } для значений φ {\displaystyle \varphi } от 0 до −90° является отрицательной величиной. В соответствии с формулой Q = U I sin φ {\displaystyle Q=UI\sin \varphi } , реактивная мощность может быть как положительной величиной (если нагрузка имеет активно-индуктивный характер), так и отрицательной (если нагрузка имеет активно-ёмкостный характер). Данное обстоятельство подчёркивает тот факт, что реактивная мощность не участвует в работе электрического тока. Когда устройство имеет положительную реактивную мощность, то принято говорить, что оно её потребляет, а когда отрицательную - то производит, но это чистая условность, связанная с тем, что большинство электропотребляющих устройств (например, асинхронные двигатели), а также чисто активная нагрузка, подключаемая через трансформатор , являются активно-индуктивными.
Синхронные генераторы, установленные на электрических станциях, могут как производить, так и потреблять реактивную мощность в зависимости от величины тока возбуждения, протекающего в обмотке ротора генератора. За счёт этой особенности синхронных электрических машин осуществляется регулирование заданного уровня напряжения сети. Для устранения перегрузок и повышения коэффициента мощности электрических установок осуществляется компенсация реактивной мощности .
Применение современных электрических измерительных преобразователей на микропроцессорной технике позволяет производить более точную оценку величины энергии, возвращаемой от индуктивной и ёмкостной нагрузки в источник переменного напряжения.
Полная мощность
Единица измерения в СИ - ватт. Кроме того, используется внесистемная единица вольт-ампер (русское обозначение: В·А ; международное: V·A ). В Российской Федерации эта единица допущена к использованию в качестве внесистемной единицы без ограничения срока с областью применения «электротехника» .
Полная мощность - величина, равная произведению действующих значений периодического электрического тока I {\displaystyle I} в цепи и напряжения U {\displaystyle U} на её зажимах: S = U ⋅ I {\displaystyle S=U\cdot I} ; связана с активной и реактивной мощностями соотношением: S = P 2 + Q 2 , {\displaystyle S={\sqrt {P^{2}+Q^{2}}},} где P {\displaystyle P} - активная мощность, Q {\displaystyle Q} - реактивная мощность (при индуктивной нагрузке Q > 0 {\displaystyle Q>0} , а при ёмкостной Q < 0 {\displaystyle Q<0} ).
Векторная зависимость между полной, активной и реактивной мощностью выражается формулой: S ⟶ = P ⟶ + Q ⟶ . {\displaystyle {\stackrel {\longrightarrow }{S}}={\stackrel {\longrightarrow }{P}}+{\stackrel {\longrightarrow }{Q}}.}
Полная мощность имеет практическое значение, как величина, описывающая нагрузки, фактически налагаемые потребителем на элементы подводящей электросети (провода, можно записать в комплексном виде:
S ˙ = U ˙ I ˙ ∗ = I 2 Z = U 2 Z ∗ , {\displaystyle {\dot {S}}={\dot {U}}{\dot {I}}^{*}=I^{2}\mathbb {Z} ={\frac {U^{2}}{\mathbb {Z} ^{*}}},} где U ˙ {\displaystyle {\dot {U}}} - комплексное напряжение, I ˙ {\displaystyle {\dot {I}}} - комплексный ток, Z {\displaystyle \mathbb {Z} } - импеданс, * - оператор комплексного сопряжения .Модуль комплексной мощности | S ˙ | {\displaystyle \left|{\dot {S}}\right|} равен полной мощности S {\displaystyle S} . Действительная часть R e (S ˙) {\displaystyle \mathrm {Re} ({\dot {S}})} равна активной мощности P {\displaystyle P} , а мнимая I m (S ˙) {\displaystyle \mathrm {Im} ({\dot {S}})} В таблице указаны значения мощности некоторых потребителей электрического тока:
| Электрический прибор | Мощность,Вт |
|---|---|
| Лампочка фонарика | 1 |
| Сетевой роутер, хаб | 10…20 |
| Системный блок ПК | 100…1700 |
| Системный блок сервера | 200…1500 |
| Монитор для ПК ЭЛТ | 15…200 |
| Монитор для ПК ЖК | 2…40 |
| Лампа люминесцентная бытовая | 5…30 |
| Лампа накаливания бытовая | 25…150 |
| Холодильник бытовой | 15…700 |
| Электропылесос | 100… 3000 |
| Электрический утюг | 300…2 000 |
| Стиральная машина | 350…2 000 |
| Электрическая плитка | 1 000…2 000 |
| Сварочный аппарат бытовой | 1 000…5 500 |
| Двигатель лифта невысокого дома | 3 000…15 000 |
| Двигатель трамвая | 45 000…50 000 |
| Двигатель электровоза | 650 000 |
| Электродвигатель шахтной подъёмной машины | 1 000 000…5 000 000 |
