Устройство получило 120 Дж электрической энергии, но поднятый груз приобрёл только 36 Дж. Куда делась разница?
Учителю: подготовка и план на 45 минут
Калькулятор, бумажные карточки потоков энергии, данные и схема. Предпосылки: работа mgh, электрическая энергия UIt, проценты. g=10 м/с². Только расчётная модель; не подключать мотор к сети, не нагревать и не разбирать батареи. 8 класс заполняет баланс по готовым величинам; 9 класс определяет КПД цепочки и границы системы.
| Минуты | Работа | Проверяемый продукт |
|---|---|---|
| 0–5 | Проблемная ситуация | Вопрос и проверяемое предположение |
| 5–14 | Понятия и разобранный пример | Пояснение величин и метода |
| 14–25 | Практика 1 | Расчёт, схема или протокол по данным |
| 25–33 | Практика 2 | Решение на новых условиях |
| 33–40 | Обсуждение | Аргумент, альтернатива и вывод |
| 40–45 | Индивидуальная проверка | Самостоятельный ответ и исправление |
Все тексты, рисунки и данные включены. Без регистрации: распечатайте ученическую часть PDF или используйте доску. Ответы показывайте после самостоятельной попытки. Минуты включают чтение, записи и переходы. В конце соберите индивидуальную работу. 0–1 балл: разобрать пример повторно; 2–3: уточнить пропущенное звено; 4: объяснить ограничение модели. Это критерии обратной связи, не обязательная школьная отметка.
01. Проблемная ситуация
0–5 минут · Вопрос и проверяемое предположение
Модель подъёмника работает при U=6 В, I=0,50 А в течение 40 с. Груз 3 кг поднят на 1,20 м. Ученик говорит: «Если энергия сохранилась, КПД обязан быть 100%».
1 минута — определите, что считаем полезным; 2 — предложите два возможных направления остальных потоков; 2 — запишите, какой баланс должен выполняться. Числа учебные.
02. Объяснение и разобранный пример
5–14 минут · Понятия, расчёт и ограничения
Энергия передаётся и преобразуется. «Полезная» — часть, выбранная по цели устройства, а не отдельный физический вид энергии. Для подъёмника полезно увеличение потенциальной энергии груза; нагрев мотора может быть реальным результатом, но не целью подъёма.
Разобранный пример: Eвх=UIt=6·0,50·40=120 Дж. Eпол=mgh=3·10·1,20=36 Дж. КПД η=Eпол/Eвх=0,30=30%. Разница 84 Дж передана другим телам или изменила энергию деталей: нагрев, движение и звук. Без дополнительных измерений нельзя разделить эти вклады. Если состояние самого устройства в начале и конце различается, его запас энергии тоже входит в баланс.
Для последовательной цепочки при согласованных границах КПД перемножают, а не складывают. Если генератор передал 40% входной энергии электрической цепи, а мотор превратил 50% этой энергии в полезную работу, итог 0,40·0,50=0,20=20%. Оставшиеся потоки учитываются на каждом этапе.
За 9 минут: 3 — выбор границы и цели, 3 — расчёт примера, 2 — цепочка, 1 — проверка единиц. Ватт — мощность, джоуль — энергия; одинаковая мощность за разное время даёт разную энергию.
03. Практика 1: данные и доказательство
14–25 минут · Первая серия
Учебная серия двух устройств, каждое поднимает один и тот же груз 2 кг на 1 м. Источник имеет постоянные U=5 В, I=0,40 А. В начале и конце устройства неподвижны, запас энергии деталей принят одинаковым.
| Устройство | Время, с | Найти Eвх, η |
|---|---|---|
| А | 20 | |
| Б | 25 |
2 минуты — выберите полезную энергию; 4 — посчитайте вход, КПД и остаток; 3 — сравните устройства; 2 — обоснуйте вывод. 8 класс получает Eпол=mgh; 9 класс сравнивает среднюю полезную мощность. Продукт: два баланса и критерий сравнения. Не путайте одинаковую входную мощность с одинаковым КПД.
Разбор практики 1 и критерии
Полезная энергия по 20 Дж. А: вход 40 Дж, остаток 20 Дж, η=50%, средняя полезная мощность 1 Вт. Б: вход 50 Дж, остаток 30 Дж, η=40%, мощность 0,8 Вт. У А в модели выше КПД и меньше время при одинаковой полезной работе.
04. Практика 2: перенос на новые условия
25–33 минуты · Самостоятельный перенос
Перенос: на вход генератора поступило 200 Дж механической энергии. Его КПД передачи в электрическую цепь 40%. Мотор цепи отдаёт полезному подъёму 50% полученной электрической энергии.
1 минута — нарисуйте границы этапов; 3 — найдите энергию каждого выхода; 2 — проверьте общий баланс; 2 — оцените утверждение «общий КПД 90%». 8 класс подписывает карточки в Дж; 9 класс выводит произведение КПД. Продукт: схема из двух этапов с тремя выходными потоками.
Ответ и объяснение практики 2
После генератора 80 Дж электрической энергии и 120 Дж других выходов. Мотор даёт 40 Дж полезной энергии и 40 Дж прочих выходов. Общий баланс 200=120+40+40, η=20%, не 90%. Складывать 40% и 50% нельзя: проценты относятся к разным входам.
05. Обсуждение: аргумент и альтернатива
33–40 минут · Аргумент и обоснованный вывод
2 минуты: сравните оценки «устройство с малым КПД нарушает сохранение энергии» и «сохранение относится ко всем потокам». 3 минуты: приведите баланс и обсудите, меняется ли полезный выход, если целью сделать нагрев. 2 минуты: сформулируйте условие корректного сравнения двух КПД.
Опора для обсуждения
Сохранение выполняется и при малом КПД: надо учесть энергию среды и деталей. При изменении цели состав полезного результата меняется. КПД сравнимы при одинаковом определении цели, входа и границы системы; нельзя напрямую сравнивать нагреватель и подъёмник только по числу процентов.
06. Индивидуальная проверка
40–45 минут · Собственное решение
Вход 150 Дж, полезный выход 45 Дж, запас энергии устройства вырос на 15 Дж. Найдите КПД и энергию прочих выходов. Назовите выбранную границу системы. 3 минуты — решение, 2 — сверка.
Ключ и критерии индивидуальной работы
η=45/150=30%; прочие выходы 150−45−15=90 Дж. Четыре балла: отношение энергий, 30%, остаток 90 Дж, граница с учётом устройства и его накопления. 105 Дж неверно, если игнорируется накопление 15 Дж.
07. Соответствие исходной программе
Пункт программы → действие ученика → проверяемый результат
| Пункт программы | Действие ученика | Проверяемый результат |
|---|---|---|
| Энергия — двигатель жизни. Преобразование энергии | Строит баланс преобразователя | Различает полезную энергию и все выходы |
| Практическое занятие №3: электрическая и механическая энергия | Сравнивает устройства и цепочку | Вычисляет общий КПД без сложения процентов |
Опора — раздел «Объединяем науки» опубликованной программы на 64 часа. Это самостоятельный урок на 45 минут. Учебные данные, подробный сценарий и распределение времени — методическая разработка. Анализ подготовленных серий и бумажных моделей не выдаётся за проведение опыта на занятии.
Источники и права на изображения
Источники проверены 15.10.2026. Все числовые наборы — учебные модели, не результаты проведённых авторами опытов. Оригинальные схемы и графики подготовлены порталом «Школы России» для этого урока. Они не являются фотографиями. Ответы и примечания учителю в PDF выделены отдельно.