Інформація для викладачів
Опис
Експериментальна установка
Коефіцієнт корисної дії (ККД) процесу перетворення енергії показує, яка кількість енергії в результаті стає доступною в необхідній формі, а яка втрачається в навколишнє середовище, наприклад, у вигляді теплового випромінювання.
Хоча ідеально ефективне перетворення енергії фізично неможливе, сучасні насоси досягають ККД до 90%.
Чим вищий ККД, тим менше енергії втрачається під час перетворення.
Додаткова інформація для викладачів (1/4)
Попередні знання
Учні повинні знати, як працюють вітрові турбіни.
Принцип
У цьому експерименті електрична енергія, вироблена вітровою турбіною, зберігається завдяки перекачуванню води на більш високий рівень за допомогою водяного насоса, завдяки чому вона накопичує більше потенційної енергії висоти.
Спостерігається, скільки енергії витрачається порівняно з енергією, що накопичується.
Додаткова інформація для викладачів (2/4)
Мета навчання
Учні дізнаються про значення коефіцієнта корисної дії (ККД) на ефективність перетворення енергії.
Завдання
Обчисліть ККД водяного насоса, використаного в експерименті.
Додаткова інформація для викладачів (3/4)
Зауваження щодо підготовки та виконання роботи
Переконайтеся, що в насосах немає повітря. Це дуже сильно знижує продуктивність насоса. Бажано використовувати дистильовану воду, щоб запобігти блокуванню крильчатки або іншим проблемам, спричиненим залишками вапняного нальоту.
Додаткова інформація для викладачів (4/4)
Заходи для покращення роботи насоса:
- Кілька разів увімкніть і вимкніть джерело живлення, оскільки стовп води, що вже утворився, виштовхує повітря під час зворотного потоку.
- За необхідності нахиліть насос і знову кілька разів увімкніть і вимкніть джерело живлення.
- Обережно постукайте насосом по дну ванночки.
- Поверніть крильчатку в насосі, оскільки вона може бути заблокована, наприклад, залишками вапняного нальоту (крильчатку можна побачити на нижній стороні насоса через отвір).
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Переконайтеся, що учні завжди стоять позаду вентилятора і не простягають руки в простір між вентилятором і вітровою турбіною під час подачі напруги і обертання вітрової турбіни, щоб уникнути ризику отримання травми.
Інформація для учнів
Мотивація
Сучасний водяний насос
Під час перетворення енергії завжди відбувається її розсіювання в навколишнє середовище. Зазвичай це відбувається через виділення тепла внаслідок процесів тертя та випромінювання.
Оскільки в кінцевому підсумку ми хочемо мати якомога більше енергії в бажаній корисній формі, важливо спроектувати процеси перетворення якомога ефективніше.
У цьому експерименті розглядається ефективність зберігання вітрової енергії.
Завдання
Експериментальна установка
Обчисліть ККД водяного насоса, використаного в експерименті.
Матеріал
Підготовка (1/6)
1. Зберіть експериментальну установку з двох регульованих ніжок (основи) штатива і двох штативних стрижнів (рис. 1 і 2).
2.Закріпіть вентилятор в лівій частині основи штатива так, щоб сторона з розетками була спрямована в бік від довгих стрижнів (рис. 3).
Рисунок 1
Рисунок 2
Рисунок 3
Підготовка (2/6)
3. Встановіть на вісь генератора два ротори один за одним (рис. 4).
4.Потім рівномірно розташуйте шість лопатей (крил) на відстані один від одного (рис. 5).
5.Встановітьгенератор на ковзну опору та помістить її на стрижні штатива так, щоб відстань між генератором і вентилятором становила 5 см (рис. 6).
Рисунок 4
Рисунок 5
Рисунок 6
Підготовка (3/6)
6. Підключіть вентилятор до виходу постійного струму на блоці живлення за допомогою довгих провідників (рис. 7).
Блок живлення вимкнено.
Рисунок 7
Підготовка (4/6)
Рисунок 8
7.Прикріпіть затискач до короткого стрижня штатива за допомогою подвійної муфти (рис. 8).
8.Помістіть один край ванночки під затискач, приєднайте трубку до насоса і закріпіть насос у затискачі. Насос повинен знаходитися на відстані близько 2 мм від дна ванни (рис. 9).
Рисунок 9
Підготовка (5/6)
Рисунок 11
Рисунок 12
9. Підключіть насос до вольтметра, як показано на рис. 10.
10. Починаючи з генератора, підключіть амперметр послідовно з насосом, щоб отримати таке електричне коло (рис. 11). В експериментальній установці воно повинно виглядати як на рис. 12.
Рисунок 10
Підготовка (6/6)
Малюнок 13
11.Наповніть ванночку водою так, щоб насос був приблизно на 2 см у воді, і поставте велику склянку під вільний кінець трубки насоса (рис. 13).
12.Таким чином, експериментальна установка має виглядати приблизно так, як показано на рис.14.
Рисунок 14
Виконання роботи (1/2)
Рисунок 15
1.Поверніть дві ручки напруги та сили струму до упору вправо. Встановіть діапазон вольтметра на 20 В, а амперметра - на 200 мА. Увімкніть джерело живлення та переконайтеся, що насос працює належним чином. Зверніться до інструкцій, наведених нижче.
2. Потім дайте насосу попрацювати близько хвилини, вимкніть джерело живлення і повністю злийте рідину зі склянки перед початком вимірювання.
3.Злегка натисніть трубку насоса до краю склянки і зафіксуйте висоту , яку повинна подолати вода.
Ще сильніше притисніть трубку до краю склянки до краю склянки і запустіть секундомір, коли блок живлення буде увімкнено (рис. 15).
Виконання роботи (2/2)
4. Запишіть у протокол експерименту на відстані 5 см між вітрогенератором і ротором напругу , силу струму і час , необхідний для наповнення склянки 200 мл води.
5.Вимкніть блок живлення, вилийте воду зі склянки у ванну і повторіть експеримент на відстані 10 см між вітрогенератором і вентилятором та запишіть результати. Вимкніть блок живлення.
Якщо насос не працює належним чином, спробуйте виконати такі дії:
- Злегка постукайте насосом по дну ванночки.
- Кілька разів увімкніть і вимкніть джерело живлення.
- Поверніть крильчатку на нижній стороні насоса.
Протокол
Завдання 1
Вставте слова в тексті у відповідні пропуски Коефіцієнт корисної дії \eta - це ____ це відношення між корисною енергією та підведеною енергією. Оскільки теоретично корисна ____ ніколи не може бути більшою за підведену, то ККД \eta завжди менше 1 і більше 0. Щоб підвищити ефективність, потрібно розглянути кожен ____ окремо і з'ясувати, як він втрачає енергію в ____. Зокрема, у ____ можна було б, серед іншого, згладити поверхні, що труться.
Завдання 2
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: E_{пот.}; =; m; t; g; q; h; V; v; 1/2; ·. Місця на схемі: Енергія; Час.
Яка формула описує потенціальну енергію висоти ?
= висота, = маса, = об'єм, = прискорення вільного падіння
=швидкість, = заряд, = час
Завдання 3
Яка формула описує електричну енергію ?
Завдання на схемі: розташуйте підписи по місцях. Підписи: E_{ел}; =; R; t; P; C; U; I; v; 1/2; ·. Місця на схемі: Енергія; Час.
= напруга, = опір, = сила струму, = потужність
=швидкість, = ємність, = час
Завдання 4
До водяного насоса з коефіцієнтом корисної дії 0,8 протягом 10 секунд подається напруга 5 В. Внутрішній опір насоса 5 Ом. Наскільки великою є додаткова потенціальна енергія води? Результат: ____ Дж