Определение мощности, развиваемой школьниками в процессе жизнедеятельности

Механика относительно проста, механические явления встречаются нам на каждом шагу. Этот раздел физики, объединяет несколько общих законов, пользуется общими механическими понятиями. Пользуясь методами механики, можно не только объяснить увиденное, но и создавать новое или усовершенствовать механизм. Важную роль в физике имеют физические величины – работа и мощность. В обыденной жизни словом «работа» мы называем всякий полезный труд рабочего, инженера, ученого и учащегося. Но в физике, понятие работы, несколько иное. Мощность – это быстрота выполнения работы. Работа и мощность - определенные физические величины, а значит, их можно измерить.

Понятие о работе и мощности мы получаем в 7 классе. Тема очень важная и интересная, так как, покупая любые приборы, мы обязательно смотрим в паспорте какова его мощность. Ведь нам не безразлично, как быстро совершается та или иная работа в быту и технике, а для этого мы должны знать данные физические величины.

1. Механическая работа и мощность

Поезд движется под действием силы тяги электровоза, при этом совершается механическая работа. При выстреле из ружья сила давления пороховых газов совершает работу – перемещает пулю вдоль ствола, скорость пули при этом увеличивается. Значит, механическая работа совершается, когда тело движется под действием силы.

Механическая работа совершается и тогда, когда сила, действуя на тело (например, сила трения) уменьшает скорость его движения. Желая передвинуть шкаф, мы с силой на него надавливаем, но если он при этом в движение не приходит, то механической работы мы не совершаем.

Можно представить себе случай, когда тело движется без участия сил (по инерции), в этом случае механическая работа также не совершается.

На совершение одной и той же работы различным двигателям требуется разное время. Например, подъемный кран на стройке за несколько секунд поднимает на верхний этаж здания сотни кирпичей. Если бы эти кирпичи перетаскивал рабочий, то ему для этого потребовалось бы несколько часов.

Работой постоянной силы называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы и перемещения

А = F · S cos ά

Данное выражение показывает, что работа является скалярной величиной и может иметь положительное или отрицательное значение в зависимости от знака косинуса угла ά.

Работа, совершаемая силой F, положительна, если угол ά. Между векторами силы и перемещения меньше 900

При значениях угла 900 ‹ ά. ≤ 1800 работа силы отрицательна.

Если вектор силы перпендикулярен вектору перемещения, то косинус угла ά равен нулю и работа силы F равна нулю.

Если перемещение происходит в сторону, противоположную направлению силы, т. е. ά = 1800 , то cosά = -1, и тогда А = - F · S. Значит, работа силы отрицательна.

При совпадении направления перемещения с направлением силы работа численно равна площади, ограниченной кривой зависимости модуля силы от пройденного пути.

Если направление силы и перемещения противоположны, то работа равна этой же площади, но взятой со знаком «-»

Важной характеристикой работы машин и механизмов является мощность.

Мощность – физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, в течение которого она совершена:

N = Δ А / Δt

Здесь Δt – промежуток времени настолько малый, что модуль силы F и угол между силой и перемещением можно считать постоянными.

Заменив Δ А выражением F · ΔS cosά и учтя, что Δ S / Δt есть модуль скорости, получим выражение для мощности:

N = F ύ cos ά, где ά – угол между векторами F и ύ

Таким образом, для измерения мощности механизма необходимо знать величину силы, с которой его движущиеся части действуют друг на друга, и скорости их перемещения.

Если величина Δ А / Δt меняется со временем, то говорят о мгновенной мощности:

N = lim Δ→0 Δ А / Δt

Входящая в это выражение элементарная работа определяется скалярным произведением совершающей работу силы F на малое перемещение Δ S точки приложения этой силы за рассматриваемое время(4)

2. 2 Единицы измерения работы и мощности

Единица работы в СИ называется джоулем (Дж)

Джоуль равен работе, совершаемой силой 1 Н при перемещении точки ее приложения на 1м в направлении действия силы:

1 Дж = 1 Н · м

Единица мощности в Си называется ваттом (Вт)

Единицей мощности является такая мощность, при которой за одну секунду совершается работа, равная одному джоулю.

1 Вт = 1 Дж/с

В технике пользуются наиболее крупными единицами – киловаттом и мегаваттом:

1 кВт = 1000 Вт (103)

1 МВт = 1000000 Вт (106)

Работа, совершаемая за 1 час при мощности в 1 кВт, называется киловатт-часом:

1 кВт · ч = 103 Вт ·3600с = 3,6 ·106 Дж.

В технике иногда применяется единица мощности, именуемая, лошадиной силой (л. с. ) и равная, 736 Вт

Часто, не вникая в возможные изменения силы или скорости движения механизма в процессе совершения работы, его характеризуют средней мощностью – отношением работы к промежутку времени, за который эта работа была совершена. В отличие от мгновенной мощности промежуток времени в этом определении не обязательно должен быть малым.

3. Мощность человека

Важнейшей характеристикой упражнений, которые мы выполняем на уроках физкультуры или в спортивных секциях, является их мощность. Учитывая, что она относительно постоянна в циклических упражнениях, их можно классифицировать по средней мощности нагрузки на протяжении любого (достаточно длинного) отрезка времени выполнения упражнения. На протяжении выполнения ациклических упражнений выделяют периоды наибольшей активности (мощности) рабочие периоды, чередуемые с промежуточными периодами относительно невысокой активности (мощности), вплоть до полного отдыха (нулевой мощности).

Механическая, или физическая, мощность выполняемого упражнения измеряется физическими величинами в ваттах, ( иногда в кг м /мин). Она определяет физическую нагрузку. В подавляющем большинстве случаев очень трудно достаточно точно измерить физическую мощность спортивных упражнений. В циклических упражнениях мощность (физическая нагрузка) и скорость перемещения (при неизменной технике выполнения движений) связаны линейной зависимостью: чем больше скорость, тем выше физическая нагрузка. Совокупность физиологических (и психофизиологических) реакций организма на данную физическую нагрузку позволяет определить физиологическую мощность нагрузки или физиологическую нагрузку на организм работающего человека. «Физиологическая нагрузка» или «физиологическая мощность» понятия близкие к термину «тяжесть работы». У каждого человека при выполнении упражнения одного и того же характера в одинаковых условиях внешней среды физиологическая мощность нагрузки находится в прямой зависимости от физической нагрузки. Например, чем выше скорость бега, тем больше физиологическая нагрузка. Однако, одинаковая физическая нагрузка вызывает неодинаковые физиологические реакции у людей разного возраста и пола, у людей с неодинаковой степенью функциональной подготовленности (тренированности), а также у одного и того же человека в разных условиях (например, при повышенных или пониженных температуре или давлении воздуха). Кроме того, различные физиологические реакции наблюдаются у одного и того же человека при одинаковой по мощности физической нагрузке, выполняемой разными мышечными группами (руками или ногами) или при разных положениях тела (лежа или стоя).

Мощность нагрузки в аэробных упражнениях такова, что энергообеспечение рабочих мышц может происходить (главным образом или исключительно) за счет окислительных (аэробных) процессов, связанных с непрерывным потреблением организмом и расходованием работающими мышцами кислорода. Поэтому мощность в этих упражнениях можно оценивать по уровню (скорости) дистанционного потребления О2. Если дистанционное потребление О2 соотнести сопредельной аэробной мощностью у данного человека (т. е. с его индивидуальным МПК, или «кислородным потолком»), то можно получить представление об относительной аэробной физиологической мощности выполняемого им упражнения. По этому показателю среди аэробных циклических упражнений выделяются пять групп:

1) упражнения максимальной аэробной мощности

2) упражнения околомаксимальной аэробной мощности

3) упражнения субмаксимальной аэробной мощности

4) упражнения средней аэробной мощности

5) упражнения малой аэробной мощности

С увеличением продолжительности аэробных упражнений повышается температура тела, что предъявляет повышенные требования к системе терморегуляции.

Человек – часть природы, и его тело подчиняется тем же законам физики. Сократовское «Познай самого себя» мною понимается, в том числе, и как познай свое тело и те физические законы, которым оно подчиняется. В связи с этим, я провела ряд практических работ.

1. Определение работы и мощности рук

В роли исследуемой группы – учащиеся 11Б класса МОУ СОШ № 30

Выполнение работы:

1. Измеряем массу тела с помощью напольных весов

2. В спортивном зале школы, ученики (по-очереди) поднимаются по канату без помощи ног, я замеряю время подъема (t)

3. Измеряем высоту (h) на которую поднялся юноша

4. Рассчитываю работу рук при подъеме по формуле A = mgh

(g = 9,8 Н/кг)

5. Рассчитываю мощность их рук: N = A / t

6. Заполняю таблицу

Имя учащегося Масса m Высота подъема Время подъема Работа рук Мощность рук

(кг) Н, м t (с) A (Дж) N (Вт)

Павел - 1 73 6 4,95 4292,4 867,2

Павел - 2 61 6 6,93 3586,8 517,6

Филипп 70 5 11,47 3360 292,9

Арман 65 3 16,43 1911 116,3

Руслан 60 6 10,84 3528 325,5

Илья 57 5,7 7,83 3184,02 406,6

Механическая работа и мощность рук при подъеме по канату без помощи ног:

1. Не зависят от массы тела

1. Зависят от высоты, на которую поднимаются по канату, т. е. от расстояния, которое проходит тело

2. Зависят от времени подъема (скорости движения)

3. Чем больше время движения по канату, тем меньше мощность рук

4. Чем больше механическая работа, тем больше мощность

2. Определение механической работы при подъеме штанги

В роли исследуемой группы – учащиеся детской спортивной школы «Юность», секция – тяжелая атлетика

Поднятие штанги:

• Классический рывок – толчок штанги

• Жим штанги от груди стоя

• Подъем штанги на бицепс стоя

Выполнение работы:

1. Определяем массу штанги, которую будут поднимать

2. Засекаем время поднятия штанги часами с секундной стрелкой

3. Определяем высоту поднятия штанги

4. Вычисляем совершенную работу и мощность

5. Заполняем таблицу

Классический рывок – толчок штанги

Имя учащегося Масса штанги m Масса спортсмена Высота подъема Время подъема Работа Мощность

(кг) (кг) Н (м) t (с) A (Дж) N (Вт)

Андрей 70 75 2, 04 5 1399,4 279,9

Олег 65 65 1,94 5 1235,8 247,2

Василий 50 60 1,98 6 970,2 161,7

Жим штанги от груди стоя

Имя учащегося Масса штанги m Масса спортсмена Высота подъема Время подъема Работа Мощность

(кг) (кг) Н (м) t (с) A (Дж) N (Вт)

Андрей 50 75 0,66 1,5 323,4 215,6

Олег 55 65 0,55 1,5 296,5 197,6

Василий 30 60 0,71 1,5 208,74 139,2

Подъем штанги на бицепс, стоя

Имя учащегося Масса штанги m Масса спортсмена Высота подъема Время подъема Работа Мощность

(кг) (кг) Н (м) t (с) A (Дж) N (Вт)

Андрей 42 75 0,56 2 230,5 115,2

Олег 42 65 0,54 2 222,3 111,1

Василий 27 60 0,56 2 148,2 74,1

Вывод: Механическая работа и мощность при подъеме штанги зависят от массы штанги (прямо пропорционально), высоты подъема штанги (прямо пропорционально).

3. Определение средней мощности, развиваемой при беге на дистанцию 20 м

В роли исследуемой группы – учащиеся 8Б класса МОУ СОШ № 30

Выполнение работы:

1. Измеряем массу тела напольными весами

2. Пробежав дистанцию 20 м, засекаем время за которое преодолевается дистанция

3. Считая движение равноускоренным, вычисляем среднюю мощность, развиваемую при беге:

N cp = ∆ W /t = mv2 /2t = 2ms2 /t3 , при s = v cp t = vt/2

Данные заносим в таблицу:

Имя учащегося Масса m Расстояние, Время бега Средняя мощность, развиваемая при беге

(кг) которое пробегают t (с)

S, (м) N (Вт)

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 одной и той же массе тела и длине дистанции, мощность зависит от времени. Чем больше время, затрачивается на преодоление дистанции, тем меньше мощность

3. 4 Измерение мощности, развиваемой при подъеме по лестнице

Описание работы

1. Опустив в лестничный пролет грузик на прочном шнуре, делаем на нем отметку, когда грузик достигнет пола первого этажа. Измеряем высоту лестницы (Н)

2. По секундомеру определяем время, затраченное нами на подъем по лестнице

3. Измеряем массу своего тела

4. Вычисляем мощность, развиваемую при подъеме:

N = mgh / t

5. Полученные результаты заносим в таблицу

Имя учащегося Масса Высота Время подъема Мощность тела лестницы t (с) N (Вт)

m (кг) Н (м)

Ира 65 6, 44 19 215,9

Даша 59 6,44 10 372,4

Антон 50 6,44 9 350,6

При одной и той же высоте лестницы, мощность зависит от времени, затраченном нами на подъем. Чем больше время, затрачивается на подъем по лестнице, тем меньше мощность.

4. Определение средней мощности, развиваемой при приседании

Описание работы

1. Измеряем высоту поясницы (Н)

2. Измеряем высоту своего тела h в положении «присев» (центр тяжести тела при этом находится примерно на высоте 0,5 h)

3. Измеряем массу своего тела с помощью весов

4. Делаем n приседаний за промежуток времени (t)

5. Вычисляем развиваемую мощность по формуле:

N = n mg (H – 0,5 h) / t

6. Полученные результаты заносим в таблицу

Имя учащегося Масса тела Высота поясницы Высота тела в Количество приседаний Время приседаний Мощность m (кг) Н (м) положении «присев» n t (с) N (Вт)

Ира 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

Мощность, развиваемая при приседании зависит от массы тела, количества приседаний, высоты тела в положении «присев», высоты поясницы и времени, затраченном нами на приседания. Чем больше время, затрачивается на приседание, тем меньше мощность. Чем больше масса человека и количество приседаний, тем больше его мощность

IV. ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения подразделяются на прямые и косвенные. Прямыми называется измерение, в котором результат находится при считывании со шкалы прибора. Косвенным называется измерение, в котором результат находится на основе расчетов.

Истинное значение измеряемой величины определить невозможно по многим причинам и, прежде всего, потому, что ограничено воспроизведение эталона.

Величина A считается измеренной, если указана не только сама величина, но и граница ее абсолютной погрешности ∆ A:

A = A изм ± ∆ A

Качество измерений определяется относительной погрешностью ε:

Ε = (∆ A / A изм ) 100%

Погрешность прямого измерения складывается из погрешности средств измерения (определяется на заводе-изготовителе, каждый прибор имеет класс точности γ) и погрешности прибора. Погрешность прибора определяется так:

∆ A приб = γ A max / 100 A max - предел измерения данного прибора

Погрешность отсчета равна, а точнее не больше половины цены деления шкалы.

При нахождении мощности я использовала физические приборы: напольные весы, секундомер, измерительную ленту и измерительную линейку.

Абсолютные инструментальные погрешности средств измерений:

1. Весы

∆ приб = 0,01г

2. секундомер

∆ приб = 0,01с

3. Линейка ученическая чертежная инструментальная (стальная) демонстрационная

∆ приб = ±1 мм

4. Измерительная лента ∆ приб = ± 0,5 см

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных теоретических и натурно – экспериментальных исследований зависимости мощности человека от ряда физических величин сделаны следующие выводы:

1. Решена поставленная задача: выявлена взаимосвязь Человек и Природа

2. Я убедилась в том, что человек – часть Природы и подчиняется тем же законам физики.

3. С помощью натурных экспериментов, инструментальных исследований, математических расчетов и таблиц, удалось решить поставленную задачу: найти зависимость работы и мощности человека от массы тела, высоты подъема тела, времени, в течении которого совершается та или иная работа.

4. Мощность человека зависит прямо пропорционально от: массы тела, скорости его движения, расстояния, которое он преодолевает и высоты подъема тел

5. Мощность зависит обратно пропорционально от времени, в течении которого человек совершает ту или иную работу.

6. Истинное значение любой физической величины невозможно определить потому что ограничено воспроизведение эталона. Физическая величина считается измеренной, если указана не только сама величина, но и границы ее абсолютной погрешности.