Физическая величина характеризующая скорость передачи электрической энергии: Электрическая мощность – это… Что такое Электрическая мощность?

Работа, мощность, энергия – Физика – Теория, тесты, формулы и задачи

Оглавление:

Основные теоретические сведения

Механическая работа

К оглавлению…

Энергетические характеристики движения вводятся на основе понятия механической работы или работы силы. Работой, совершаемой постоянной силой F, называется физическая величина, равная произведению модулей силы и перемещения, умноженному на косинус угла между векторами силы F и перемещения S:

Работа является скалярной величиной. Она может быть как положительна (0° ≤ α < 90°), так и отрицательна (90° < α ≤ 180°). При α = 90° работа, совершаемая силой, равна нулю. В системе СИ работа измеряется в джоулях (Дж). Джоуль равен работе, совершаемой силой в 1 ньютон на перемещении 1 метр в направлении действия силы.

Если же сила изменяется с течением времени, то для нахождения работы строят график зависимости силы от перемещения и находят площадь фигуры под графиком – это и есть работа:

Примером силы, модуль которой зависит от координаты (перемещения), может служить сила упругости пружины, подчиняющаяся закону Гука (F_упр = kx).

Мощность

К оглавлению…

Работа силы, совершаемая в единицу времени, называется мощностью. Мощность P (иногда обозначают буквой N) – физическая величина, равная отношению работы A к промежутку времени t, в течение которого совершена эта работа:

По этой формуле рассчитывается средняя мощность, т.е. мощность обобщенно характеризующая процесс. Итак, работу можно выражать и через мощность: A = Pt (если конечно известна мощность и время совершения работы). Единица мощности называется ватт (Вт) или 1 джоуль за 1 секунду. Если движение равномерное, то:

По этой формуле мы можем рассчитать мгновенную мощность (мощность в данный момент времени), если вместо скорости подставим в формулу значение мгновенной скорости. Как узнать, какую мощность считать? Если в задаче спрашивают мощность в момент времени или в какой-то точке пространства, то считается мгновенная. Если спрашивают про мощность за какой-то промежуток времени или участок пути, то ищите среднюю мощность.

КПД – коэффициент полезного действия, равен отношению полезной работы к затраченной, либо же полезной мощности к затраченной:

Какая работа полезная, а какая затраченная определяется из условия конкретной задачи путем логического рассуждения. К примеру, если подъемный кран совершает работу по подъему груза на некоторую высоту, то полезной будет работа по поднятию груза (так как именно ради нее создан кран), а затраченной – работа, совершенная электродвигателем крана.

Итак, полезная и затраченная мощность не имеют строгого определения, и находятся логическим рассуждением. В каждой задаче мы сами должны определить, что в этой задаче было целью совершения работы (полезная работа или мощность), а что было механизмом или способом совершения всей работы (затраченная мощность или работа).

В общем случае КПД показывает, как эффективно механизм преобразует один вид энергии в другой. Если мощность со временем изменяется, то работу находят как площадь фигуры под графиком зависимости мощности от времени:

Кинетическая энергия

К оглавлению…

Физическая величина, равная половине произведения массы тела на квадрат его скорости, называется кинетической энергией тела (энергией движения):

То есть если автомобиль массой 2000 кг движется со скоростью 10 м/с, то он обладает кинетической энергией равной Е_к = 100 кДж и способен совершить работу в 100 кДж. Эта энергия может превратиться в тепловую (при торможении автомобиля нагревается резина колес, дорога и тормозные диски) или может быть потрачена на деформацию автомобиля и тела, с которым автомобиль столкнулся (при аварии). При вычислении кинетической энергии не имеет значения куда движется автомобиль, так как энергия, как и работа, величина скалярная.

Тело обладает энергией, если способно совершить работу. Например, движущееся тело обладает кинетической энергией, т.е. энергией движения, и способно совершать работу по деформации тел или придания ускорения телам, с которыми произойдёт столкновение.

Физический смысл кинетической энергии: для того чтобы покоящееся тело массой m стало двигаться со скоростью v необходимо совершить работу равную полученному значению кинетической энергии. Если тело массой m движется со скоростью v, то для его остановки необходимо совершить работу равную его первоначальной кинетической энергии. При торможении кинетическая энергия в основном (кроме случаев соударения, когда энергия идет на деформации) «забирается» силой трения.

Теорема о кинетической энергии: работа равнодействующей силы равна изменению кинетической энергии тела:

Теорема о кинетической энергии справедлива и в общем случае, когда тело движется под действием изменяющейся силы, направление которой не совпадает с направлением перемещения. Применять данную теорему удобно в задачах на разгон и торможение тела.

Потенциальная энергия

К оглавлению…

Наряду с кинетической энергией или энергией движения в физике важную роль играет понятие потенциальной энергии или энергии взаимодействия тел.

Потенциальная энергия определяется взаимным положением тел (например, положением тела относительно поверхности Земли). Понятие потенциальной энергии можно ввести только для сил, работа которых не зависит от траектории движения тела и определяется только начальным и конечным положениями (так называемые консервативные силы). Работа таких сил на замкнутой траектории равна нулю. Таким свойством обладают сила тяжести и сила упругости. Для этих сил можно ввести понятие потенциальной энергии.

Потенциальная энергия тела в поле силы тяжести Земли рассчитывается по формуле:

Физический смысл потенциальной энергии тела: потенциальная энергия равна работе, которую совершает сила тяжести при опускании тела на нулевой уровень (h – расстояние от центра тяжести тела до нулевого уровня). Если тело обладает потенциальной энергией, значит оно способно совершить работу при падении этого тела с высоты h до нулевого уровня. Работа силы тяжести равна изменению потенциальной энергии тела, взятому с противоположным знаком:

Часто в задачах на энергию приходится находить работу по поднятию (переворачиванию, доставанию из ямы) тела. Во всех этих случаях нужно рассматривать перемещение не самого тела, а только его центра тяжести.

Потенциальная энергия Ep зависит от выбора нулевого уровня, то есть от выбора начала координат оси OY. В каждой задаче нулевой уровень выбирается из соображения удобства. Физический смысл имеет не сама потенциальная энергия, а ее изменение при перемещении тела из одного положения в другое. Это изменение не зависит от выбора нулевого уровня.

Потенциальная энергия растянутой пружины рассчитывается по формуле:

где: k – жесткость пружины. Растянутая (или сжатая) пружина способна привести в движение прикрепленное к ней тело, то есть сообщить этому телу кинетическую энергию. Следовательно, такая пружина обладает запасом энергии. Растяжение или сжатие х надо рассчитывать от недеформированного состояния тела.

Потенциальная энергия упруго деформированного тела равна работе силы упругости при переходе из данного состояния в состояние с нулевой деформацией. Если в начальном состоянии пружина уже была деформирована, а ее удлинение было равно x₁, тогда при переходе в новое состояние с удлинением x₂ сила упругости совершит работу, равную изменению потенциальной энергии, взятому с противоположным знаком (так как сила упругости всегда направлена против деформации тела):

Потенциальная энергия при упругой деформации – это энергия взаимодействия отдельных частей тела между собой силами упругости.

Работа силы трения зависит от пройденного пути (такой вид сил, чья работа зависит от траектории и пройденного пути называется: диссипативные силы). Понятие потенциальной энергии для силы трения вводить нельзя.

Коэффициент полезного действия

К оглавлению…

Коэффициент полезного действия (КПД) – характеристика эффективности системы (устройства, машины) в отношении преобразования или передачи энергии. Он определяется отношением полезно использованной энергии к суммарному количеству энергии, полученному системой (формула уже приведена выше).

КПД можно рассчитывать как через работу, так и через мощность. Полезная и затраченная работа (мощность) всегда определяются путем простых логических рассуждений.

В электрических двигателях КПД – отношение совершаемой (полезной) механической работы к электрической энергии, получаемой от источника. В тепловых двигателях – отношение полезной механической работы к затрачиваемому количеству теплоты. В электрических трансформаторах – отношение электромагнитной энергии, получаемой во вторичной обмотке, к энергии, потребляемой первичной обмоткой.

В силу своей общности понятие КПД позволяет сравнивать и оценивать с единой точки зрения такие различные системы, как атомные реакторы, электрические генераторы и двигатели, теплоэнергетические установки, полупроводниковые приборы, биологические объекты и т.д.

Из–за неизбежных потерь энергии на трение, на нагревание окружающих тел и т.п. КПД всегда меньше единицы. Соответственно этому КПД выражается в долях затрачиваемой энергии, то есть в виде правильной дроби или в процентах, и является безразмерной величиной. КПД характеризует как эффективно работает машина или механизм. КПД тепловых электростанций достигает 35–40%, двигателей внутреннего сгорания с наддувом и предварительным охлаждением – 40–50%, динамомашин и генераторов большой мощности – 95%, трансформаторов – 98%.

Задачу, в которой нужно найти КПД или он известен, надо начать с логического рассуждения – какая работа является полезной, а какая затраченной.

Закон сохранения механической энергии

К оглавлению…

Полной механической энергией называется сумма кинетической энергии (т.е. энергии движения) и потенциальной (т.е. энергии взаимодействия тел силами тяготения и упругости):

Если механическая энергия не переходит в другие формы, например, во внутреннюю (тепловую) энергию, то сумма кинетической и потенциальной энергии остаётся неизменной. Если же механическая энергия переходит в тепловую, то изменение механической энергии равно работе силы трения или потерям энергии, или количеству выделившегося тепла и так далее, другими словами изменение полной механической энергии равно работе внешних сил:

Сумма кинетической и потенциальной энергии тел, составляющих замкнутую систему (т.е. такую в которой не действует внешних сил, и их работа соответственно равна нолю) и взаимодействующих между собой силами тяготения и силами упругости, остается неизменной:

Это утверждение выражает закон сохранения энергии (ЗСЭ) в механических процессах. Он является следствием законов Ньютона. Закон сохранения механической энергии выполняется только тогда, когда тела в замкнутой системе взаимодействуют между собой силами упругости и тяготения. Во всех задачах на закон сохранения энергии всегда будет как минимум два состояния системы тел. Закон гласит, что суммарная энергия первого состояния будет равна суммарной энергии второго состояния.

Алгоритм решения задач на закон сохранения энергии:

1. Найти точки начального и конечного положения тела.
2. Записать какой или какими энергиями обладает тело в данных точках.
3. Приравнять начальную и конечную энергию тела.
4. Добавить другие необходимые уравнения из предыдущих тем по физике.
5. Решить полученное уравнение или систему уравнений математическими методами.

Важно отметить, что закон сохранения механической энергии позволил получить связь между координатами и скоростями тела в двух разных точках траектории без анализа закона движения тела во всех промежуточных точках. Применение закона сохранения механической энергии может в значительной степени упростить решение многих задач.

В реальных условиях практически всегда на движущиеся тела наряду с силами тяготения, силами упругости и другими силами действуют силы трения или силы сопротивления среды. Работа силы трения зависит от длины пути.

Если между телами, составляющими замкнутую систему, действуют силы трения, то механическая энергия не сохраняется. Часть механической энергии превращается во внутреннюю энергию тел (нагревание). Таким образом энергия в целом (т.е. не только механическая) в любом случае сохраняется.

При любых физических взаимодействиях энергия не возникает и не исчезает. Она лишь превращается из одной формы в другую. Этот экспериментально установленный факт выражает фундаментальный закон природы – закон сохранения и превращения энергии.

Одним из следствий закона сохранения и превращения энергии является утверждение о невозможности создания «вечного двигателя» (perpetuum mobile) – машины, которая могла бы неопределенно долго совершать работу, не расходуя при этом энергии.

Разные задачи на работу

К оглавлению…

Если в задаче требуется найти механическую работу, то сначала выберите способ её нахождения:

1. Работу можно найти по формуле: A = FS∙cosα. Найдите силу, совершающую работу, и величину перемещения тела под действием этой силы в выбранной системе отсчёта. Обратите внимание, что угол должен быть выбран между векторами силы и перемещения.
2. Работу внешней силы можно найти, как разность механической энергии в конечной и начальной ситуациях. Механическая энергия равна сумме кинетической и потенциальной энергий тела.
3. Работу по подъёму тела с постоянной скоростью можно найти по формуле: A = mgh, где h – высота, на которую поднимается центр тяжести тела.
4. Работу можно найти как произведение мощности на время, т.е. по формуле: A = Pt.
5. Работу можно найти, как площадь фигуры под графиком зависимости силы от перемещения или мощности от времени.

Закон сохранения энергии и динамика вращательного движения

К оглавлению…

Задачи этой темы являются достаточно сложными математически, но при знании подхода решаются по совершенно стандартному алгоритму. Во всех задачах Вам придется рассматривать вращение тела в вертикальной плоскости. Решение будет сводиться к следующей последовательности действий:

1. Надо определить интересующую Вас точку (ту точку, в которой необходимо определить скорость тела, силу натяжения нити, вес и так далее).
2. Записать в этой точке второй закон Ньютона, учитывая, что тело вращается, то есть у него есть центростремительное ускорение.
3. Записать закон сохранения механической энергии так, чтобы в нем присутствовала скорость тела в той самой интересной точке, а также характеристики состояния тела в каком-нибудь состоянии про которое что-то известно.
4. В зависимости от условия выразить скорость в квадрате из одного уравнения и подставить в другое.
5. Провести остальные необходимые математические операции для получения окончательного результата.

При решении задач надо помнить, что:

• Условие прохождения верхней точки при вращении на нити с минимальной скоростью – сила реакции опоры N в верхней точке равна 0. Такое же условие выполняется при прохождении верхней точки мертвой петли.
• При вращении на стержне условие прохождения всей окружности: минимальная скорость в верхней точке равна 0.
• Условие отрыва тела от поверхности сферы – сила реакции опоры в точке отрыва равна нулю.

Неупругие соударения

К оглавлению…

Закон сохранения механической энергии и закон сохранения импульса позволяют находить решения механических задач в тех случаях, когда неизвестны действующие силы. Примером такого рода задач является ударное взаимодействие тел.

Ударом (или столкновением) принято называть кратковременное взаимодействие тел, в результате которого их скорости испытывают значительные изменения. Во время столкновения тел между ними действуют кратковременные ударные силы, величина которых, как правило, неизвестна. Поэтому нельзя рассматривать ударное взаимодействие непосредственно с помощью законов Ньютона. Применение законов сохранения энергии и импульса во многих случаях позволяет исключить из рассмотрения сам процесс столкновения и получить связь между скоростями тел до и после столкновения, минуя все промежуточные значения этих величин.

С ударным взаимодействием тел нередко приходится иметь дело в обыденной жизни, в технике и в физике (особенно в физике атома и элементарных частиц). В механике часто используются две модели ударного взаимодействия – абсолютно упругий и абсолютно неупругий удары.

Абсолютно неупругим ударом называют такое ударное взаимодействие, при котором тела соединяются (слипаются) друг с другом и движутся дальше как одно тело.

При абсолютно неупругом ударе механическая энергия не сохраняется. Она частично или полностью переходит во внутреннюю энергию тел (нагревание). Для описания любых ударов Вам нужно записать и закон сохранения импульса, и закон сохранения механической энергии с учетом выделяющейся теплоты (предварительно крайне желательно сделать рисунок).

Абсолютно упругий удар

К оглавлению…

Абсолютно упругим ударом называется столкновение, при котором сохраняется механическая энергия системы тел. Во многих случаях столкновения атомов, молекул и элементарных частиц подчиняются законам абсолютно упругого удара. При абсолютно упругом ударе наряду с законом сохранения импульса выполняется закон сохранения механической энергии. Простым примером абсолютно упругого столкновения может быть центральный удар двух бильярдных шаров, один из которых до столкновения находился в состоянии покоя.

Центральным ударом шаров называют соударение, при котором скорости шаров до и после удара направлены по линии центров. Таким образом, пользуясь законами сохранения механической энергии и импульса, можно определить скорости шаров после столкновения, если известны их скорости до столкновения. Центральный удар очень редко реализуется на практике, особенно если речь идет о столкновениях атомов или молекул. При нецентральном упругом соударении скорости частиц (шаров) до и после столкновения не направлены по одной прямой.

Частным случаем нецентрального упругого удара может служить соударения двух бильярдных шаров одинаковой массы, один из которых до соударения был неподвижен, а скорость второго была направлена не по линии центров шаров. В этом случае векторы скоростей шаров после упругого соударения всегда направлены перпендикулярно друг к другу.

Законы сохранения. Сложные задачи

К оглавлению…

Несколько тел

В некоторых задачах на закон сохранения энергии тросы с помощью которых перемещаются некие объекты могут иметь массу (т.е. не быть невесомыми, как Вы могли уже привыкнуть). В этом случае работу по перемещению таких тросов (а именно их центров тяжести) также нужно учитывать.

Если два тела, соединённые невесомым стержнем, вращаются в вертикальной плоскости, то:

1. выбирают нулевой уровень для расчёта потенциальной энергии, например на уровне оси вращения или на уровне самой нижней точки нахождения одного из грузов и обязательно делают чертёж;
2. записывают закон сохранения механической энергии, в котором в левой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в начальной ситуации, а в правой части записывают сумму кинетической и потенциальной энергии обоих тел в конечной ситуации;
3. учитывают, что угловые скорости тел одинаковы, тогда линейные скорости тел пропорциональны радиусам вращения;
4. при необходимости записывают второй закон Ньютона для каждого из тел в отдельности.

Разрыв снаряда

В случае разрыва снаряда выделяется энергия взрывчатых веществ. Чтобы найти эту энергию надо от суммы механических энергий осколков после взрыва отнять механическую энергию снаряда до взрыва. Также будем использовать закон сохранения импульса, записанный, в виде теоремы косинусов (векторный метод) или в виде проекций на выбранные оси.

Столкновения с тяжёлой плитой

Пусть навстречу тяжёлой плите, которая движется со скоростью v, движется лёгкий шарик массой m со скоростью u_н. Так как импульс шарика много меньше импульса плиты, то после удара скорость плиты не изменится, и она будет продолжать движение с той же скоростью и в том же направлении. В результате упругого удара, шарик отлетит от плиты. Здесь важно понять, что не поменяется скорость шарика относительно плиты. В таком случае, для конечной скорости шарика получим:

Таким образом, скорость шарика после удара увеличивается на удвоенную скорость стены. Аналогичное рассуждение для случая, когда до удара шарик и плита двигались в одном направлении, приводит к результату согласно которому скорость шарика уменьшается на удвоенную скорость стены:

Задачи о максимальных и минимальных значениях энергии сталкивающихся шаров

В задачах такого типа главное понять, что потенциальная энергия упругой деформации шаров максимальна, если кинетическая энергия их движения минимальна – это следует из закона сохранения механической энергии. Сумма кинетических энергий шаров минимальна в тот момент, когда скорости шаров будут одинаковы по величине и направлены в одном направлении. В этот момент относительная скорость шаров равна нулю, а деформация и связанная с ней потенциальная энергия максимальна.

1. Энергия – это физическая величина

Учение о природе энергии поддерживается 8 ключевыми понятиями:

1.1 Энергия – это количество, которое передается от системы к системе. Энергия – это способность системы выполнять работу. Система выполнила работу, если она оказала силу на другую систему на некотором расстоянии. Когда это происходит, энергия передается от одной системы к другой. По крайней мере, часть энергии также трансформируется из одного типа в другой во время этого процесса.Можно отслеживать, сколько энергии передается в систему или из нее.

1.3 Энергия не создается и не уничтожается. Изменение общего количества энергии в системе всегда равно разнице между количеством энергии, переданной внутрь, и количеством, переданной наружу. Общее количество энергии во Вселенной конечно и постоянно.

1.4 Энергия, доступная для полезной работы, уменьшается по мере ее передачи от системы к системе. Во время передачи энергии между двумя системами некоторая часть энергии теряется в окружающей среде. В практическом смысле эта потерянная энергия «израсходована», хотя где-то еще есть.Более эффективная система будет терять меньше энергии, вплоть до теоретического предела.

1.5 Энергия бывает разных форм и может быть разделена на категории. Формы энергии включают световую энергию, упругую энергию, химическую энергию и многое другое. Вся энергия делится на две категории: кинетическая и потенциальная. Кинетическая описывает типы энергии, связанные с движением. Потенциал описывает энергию, которой обладает объект или система из-за ее положения относительно другого объекта или системы, а также силы между ними.Некоторые формы энергии являются частично кинетической и частично потенциальной энергией.

1.6 Химические и ядерные реакции включают передачу и преобразование энергии. Энергия, связанная с ядерными реакциями, намного больше, чем энергия, связанная с химическими реакциями для данного количества массы. Ядерные реакции происходят в центрах звезд, в ядерных бомбах, а также в ядерных реакторах деления и синтеза. Химические реакции широко распространены в живых и неживых земных системах.

1.7 Для количественной оценки энергии используется множество различных единиц. Как и в случае с другими физическими величинами, с энергией связано множество различных единиц. Например, джоули, калории, эрг, киловатт-часы и БТЕ – все это единицы энергии. Учитывая количество энергии в одном наборе единиц, его всегда можно преобразовать в другой (например, 1 калория = 4,186 джоулей).

1,8 Мощность – это мера скорости передачи энергии. Полезно говорить о скорости, с которой энергия передается от одной системы к другой (энергия за время).Этот показатель называется мощностью. Один джоуль энергии, передаваемый за одну секунду, называется ваттом (т. Е. 1 джоуль в секунду = 1 ватт).

Энергия – это слово, имеющее много значений, но не имеющее универсального определения

Происхождение: фото Бена Гарни
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Этот принцип помогает студентам познакомиться с некоторыми основами энергии, большая часть которых основана на физике.Мы хотим, чтобы учащиеся привыкли к представлению о том, что энергия бывает разных форм, может передаваться из одной системы в другую и может быть измерена.

Хотя дать определение термину «энергия» сложно, определить, описать и измерить конкретные виды энергии несложно.

Механическая энергия – это энергия механических систем, например, шарика, катящегося по рампе, или мрамора, выпущенного из рогатки. Механическая энергия может быть в трех формах:

• Гравитационная потенциальная энергия – это энергия объекта или системы, обусловленная гравитационным притяжением.Например, мы можем вычислить механическую энергию шара, который будет выпущен из высокого окна, или гравитационную потенциальную энергию воды в резервуаре, используемом для гидроэнергетики.
• Кинетическая энергия – это энергия движения объекта. Мчащаяся машина, бейсбольный мяч, летящий по воздуху, и лыжник, скользящий вниз по склону, – все это примеры объектов с кинетической энергией. Маховики – это способ хранения кинетической энергии.
• Упругая потенциальная энергия – это энергия, запасенная в растянутой пружине, резиновой ленте или другом эластичном материале.

Тепловая энергия – это энергия, возникающая из кинетической энергии молекул вещества. Чайник горячего чая имеет больше тепловой энергии, чем холодный. Предметы, которые кажутся теплыми, излучают тепловую энергию, а передача тепловой энергии вызывает изменения температуры.

Энергия излучения – это энергия электромагнитного излучения, такого как видимый свет, микроволны или рентгеновские лучи.

Химическая энергия – это энергия, хранящаяся в химических связях.Бензин и продукты питания являются примерами соединений с химической потенциальной энергией.

Ядерная энергия – это название, данное энергии, которая возникает в результате преобразования массы в энергию во время ядерных реакций. Это мощный и обильный источник энергии, потому что небольшое количество массы может быть преобразовано в большое количество энергии, как описано знаменитым уравнением Эйнштейна E = mc ² .

Независимо от того, какую форму принимает энергия, энергия имеет числовое значение, которое мы можем измерить и присвоить объектам или системам.Когда система претерпевает некоторые изменения, энергия может преобразовываться из одного типа энергии в другой.

Понимание того, как определяются и измеряются различные типы энергии, дает основу для изучения других аспектов энергии. Понятия потери энергии, передачи энергии от одной системы к другой и способы измерения энергии являются важными концепциями для преподавания энергии. Хотя может возникнуть соблазн пропустить эти основы и начать обучение ветряным турбинам и солнечным панелям, важно установить систему отсчета для понимания того, что такое энергия, прежде чем обсуждать различные виды топлива, источники энергии и способы ее использования.

Что удивительно в энергии, так это то, как одна форма энергии может быть преобразована в, казалось бы, несвязанные формы энергии. Джеймс Прескотт Джоуль провел новаторские эксперименты, показавшие, что некоторое количество механической энергии можно преобразовать в такое же количество тепловой энергии. Например, взрыв преобразует химическую потенциальную энергию в кинетическую энергию, лучистую энергию и тепловую энергию. Лучистая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью фотоэлектрического элемента. Тепловая энергия может быть преобразована в электрическую с помощью термоэлектрического генератора.

Во всех случаях преобразования энергии часть энергии преобразуется в тепловую. Поскольку эта энергия часто не может быть восстановлена ​​полезным способом, эту тепловую энергию часто считают потраченной впустую или потерянной.

Помогаем учащимся понять эти идеи

Происхождение: Изображение из галерей изображений Microsoft
Повторное использование: Этот элемент предлагается по лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike http: // creativecommons.org / licenses / by-nc-sa / 3.0 / Вы можете повторно использовать этот элемент в некоммерческих целях при условии указания авторства и предложения любых производных работ по аналогичной лицензии.

Обычным камнем преткновения является понятие мощности и единицы для описания энергии и мощности. В метрической системе единицами измерения энергии являются джоули. Джоуль – это количество энергии, необходимое для ускорения объекта весом 1 кг до скорости 2 м / с или для поднятия объекта весом 1 кг примерно на 10 см по вертикали. Калории, БТЕ и киловатт-часы – это другие единицы, которые можно использовать для измерения энергии.

Мощность, которая представляет собой скорость передачи энергии, измеряется в Джоулях в секунду, также называемых ваттами.В отличие от других единиц, описывающих скорость (например, миль в час для скорости, долларов в час для заработной платы), в единице «Ватт» уже встроено «в секунду». Без знакомого «в секунду» в единицах измерения студенты часто думают, что ватт – это количество энергии, а не количество , с которым передается энергия. Например, лампочка мощностью 100 Вт потребляет 100 Джоулей электрической энергии в секунду, преобразуя ее в основном в тепловую энергию.

Эта путаница усугубляется единицей измерения киловатт-час.Киловатт-час равен 1000 Вт, умноженной на 3600 секунд, или 3,6 миллиона джоулей. Это обычная единица энергии, которую электроэнергетические компании используют при выставлении счетов,

Похожий и забавный пример путаницы вокруг энергии и энергии состоит в том, что электроэнергетические компании часто называют «энергетическими» компаниями, даже если продукт, который они продают, – это энергия.

Реализация этих идей в вашем классе

Как показано в видеоролике TED-ed, для понимания того, как измеряется энергия, можно использовать базовые математические концепции, например, измерение энергии в двух разных формах с последующим преобразованием этих величин в общепринятые единицы. Такие термины, как мощность (энергия во времени), работа (сила на расстоянии), можно легко измерить и рассчитать. Все эти термины имеют альтернативные, но связанные значения в повседневной жизни, поэтому знакомство студентов с математическими определениями потребует от студентов понимания немного разных значений одних и тех же слов.

Многие формы преобразования энергии непосредственно наблюдаются в классе, поэтому демонстрации являются эффективным средством для иллюстрации преобразований между различными формами энергии.

Ручной генератор / двигатели и лампочка показывают, как кинетическая энергия может быть преобразована в электрическую. Соединение двух портативных генераторов / моторов вместе показывает, как кинетику можно преобразовать в электрическую, а затем обратно в кинетическую.

Спай Пельтье (или термоэлектрический генератор) преобразует электрическую энергию в разницу температур или разницу температур в электрическую энергию.

Так называемые «счастливые / грустные» шары , которые можно приобрести у компаний-поставщиков естественнонаучного образования, показывают, как эластичность материала может влиять на передачу энергии. «Счастливый» шар сделан из полимера, который при сжатии накапливает упругую потенциальную энергию и выделяет такое же количество кинетической энергии в несжатом состоянии. Например, когда мяч падает с высоты 1 метр, гравитационная потенциальная энергия преобразуется в кинетическую при падении мяча. Когда мяч ударяется об пол, мяч сжимается, и кинетическая энергия преобразуется в основном в упругую потенциальную энергию (и некоторую тепловую энергию).Когда мяч перескакивает, упругий потенциал преобразуется в основном в кинетическую энергию (опять же, некоторую тепловую), заставляя мяч отскакивать на значительную часть высоты, с которой он был выпущен. Отношение высоты повторной привязки к высоте высвобождения – это отношение конечной энергии системы к исходной энергии – оценка эффективности передачи энергии. «Грустный» мяч сделан из менее эластичного полимера. Когда этот мяч сжимается, почти вся механическая энергия преобразуется в тепловую, и мяч не отскакивает заметно.

Пружинные игрушки и попперы – другие примеры подобных преобразований энергии.

Колба Дьюара или термос «термос» – отличный пример передачи тепловой энергии. Описание того, как вакуумная колба предотвращает передачу тепловой энергии внутрь или наружу, помогает студентам понять, что «холод» – это не количество или форма энергии, а скорее недостаток тепловой энергии. Студентам может быть интересна история разработки термоса и того, как она была коммерциализирована компанией Thermos, которая извлекла выгоду из того факта, что Дьюар не запатентовал эту идею.

Учебные материалы из коллекции CLEAN

Средняя школа

Средняя школа

• Такие инструменты, как «Калькулятор преобразования единиц энергии», можно использовать, чтобы помочь учащимся сравнивать количество энергии в различных формах. Когда учащиеся понимают значение различных единиц энергии, они могут эффективно рассмотреть масштаб использования энергии, который является частью Энергетического принципа 6.
• Путеводитель по энергии Земли – это видео TED-Ed, в котором показано, как энергия циркулирует в системах Земли: атмосфере, гидросфере, литосфере и биосфере.

Колледж

• Проект «Солнечный водонагреватель» позволяет студенческим командам проектировать и создавать солнечные водонагревательные устройства и лучше понимать три различных типа теплопередачи, каждый из которых играет важную роль в конструкции солнечного водонагревателя. Обратите внимание, что это задание предназначено для старшеклассников, но оно станет отличной лабораторией для студентов начального уровня.
• Global Energy Flows позволяет учащимся анализировать данные о глобальных источниках и потребителях (использовании) энергии и строить диаграмму, чтобы показать относительный масштаб и связи между ними.Обсуждения масштаба; включены исторические, социально-экологические и географические различия в этих данных и их значение для будущего использования энергии.

Найдите занятия и наглядные пособия для преподавания этой темы

Поиск по классу: средняя школа старшая школа введение колледж высший колледж поиск все классы

Список литературы

Что такое энергия? от EIA Energy Kids, этот блок охватывает основы энергии, типы энергии, единицы энергии и калькуляторы энергии.

симуляторов PhET для обучения Энергии, Работе и Мощи. Интерактивное моделирование, которое позволяет студентам «экспериментировать» с изменением переменных в различных энергетических системах.

The Physics Classroom – это бесплатный онлайн-сайт по физике, разработанный в первую очередь для школьников и учителей физики. Например, анимация трансформации энергии для скоростного спуска на лыжах иллюстрирует взаимосвязь между работой и энергией.

Необходимые фундаментальные исследования для хранения электроэнергии.Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам о хранении электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г. (Технический отчет)

Гуденаф, Дж. Б., Абруна, Г. Д., и Бьюкенен, М. В. Необходимость фундаментальных исследований для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам по хранению электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г. . США: Н. П., 2007. Интернет. DOI: 10,2172 / 935429.

Гуденаф, Дж. Б., Абруна, Г. Д., и Бьюкенен, М. В. Необходимые фундаментальные исследования для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам по хранению электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г. . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/935429

Гуденаф, Дж. Б., Абруна, Г. Д., и Бьюкенен, М. В. Ср. «Необходимые фундаментальные исследования для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам по хранению электрической энергии, 2-4 апреля 2007 г.».Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/935429. https://www.osti.gov/servlets/purl/935429.

@article {osti_935429,
title = {Необходимы фундаментальные исследования в области хранения электроэнергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам о хранении электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г.},
author = {Гуденаф, Дж. Б. и Абруна, Г. Д. и Бьюкенен, М. В.},
abstractNote = {Для определения областей исследований в области наук о Земле, таких как поведение многофазных жидко-твердых систем в различных масштабах, процессы химической миграции в геологических средах, характеристика геологических систем, а также моделирование и симуляция геологических систем, необходимых для улучшения энергетических систем. .},
doi = {10.2172 / 935429},
url = {https://www.osti.gov/biblio/935429}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {2007},
месяц = ​​{4}
}

Характеристика энергетической гибкости зданий и районов

Основные моменты

•

Энергетическая гибкость определяется как динамическая функция, подходящая для управления.

•

Это определение приводит к важным и полезным характеристикам, которые обсуждаются.

•

Кроме того, он определяет индекс гибкости как на индивидуальном, так и на агрегированном уровне.

•

На основе этого индекса можно вывести стандартизированный метод маркировки.

Реферат

Большой уровень проникновения возобновляемых источников энергии приводит к проблемам в планировании и контроле производства, передачи и распределения энергии в энергосистемах.Возможное решение заключается в смене парадигмы от традиционного контроля предложения к контролю спроса. Первым шагом для решения таких изменений является формальная и надежная характеристика энергетической гибкости со стороны спроса. Наиболее распространенный способ охарактеризовать гибкость энергии – рассматривать ее как статическую функцию в каждый момент времени. Обоснованность этого подхода сомнительна, потому что энергетические системы никогда не находятся в стационарном состоянии. Поэтому в этой статье предлагается новая методология для характеристики энергетической гибкости как динамической функции, которая называется Функция гибкости .Функция гибкости предоставляет новые возможности, позволяющие операторам сети или другим операторам контролировать спрос с помощью штрафных сигналов (например, цена, CO ₂ и т. Д.). Например, контроллеры на основе CO ₂ могут быть использованы для ускорения перехода к обществу без ископаемых. В отличие от предыдущих статических подходов к количественной оценке энергетической гибкости, динамический характер функции гибкости позволяет использовать индекс гибкости, который описывает, в какой степени здание способно удовлетворить потребность энергосистемы в гибкости.Для проверки предложенных методологий представлено тематическое исследование, демонстрирующее, как различные функции гибкости позволяют использовать гибкость в различных типах зданий, которые интегрированы с возобновляемыми источниками энергии.

Ключевые слова

Энергетическая гибкость

Реагирование на спрос

Функция гибкости

Умное здание

Индекс гибкости

Умность

Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)

© 2018 Авторы.Опубликовано Elsevier Ltd.

Рекомендуемые статьи

Цитирование статей

Необходимы фундаментальные исследования для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам о хранении электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г. (Технический отчет)

Гуденаф, Дж. Б., Абруна, Г. Д., и Бьюкенен, М. В. Необходимость фундаментальных исследований для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам по хранению электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г. .США: Н. П., 2007. Интернет. DOI: 10,2172 / 935429.

Гуденаф, Дж. Б., Абруна, Х. Д. и Бьюкенен, М. В. Необходимы фундаментальные исследования для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам по хранению электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г. . Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/935429

Гуденаф, Дж. Б., Абруна, Г. Д., и Бьюкенен, М. В.Мы б . «Необходимые фундаментальные исследования для хранения электрической энергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам по хранению электрической энергии, 2-4 апреля 2007 г.». Соединенные Штаты. https://doi.org/10.2172/935429. https://www.osti.gov/servlets/purl/935429.

@article {osti_935429,
title = {Необходимы фундаментальные исследования в области хранения электроэнергии. Отчет семинара по фундаментальным энергетическим наукам о хранении электроэнергии, 2-4 апреля 2007 г.},
author = {Гуденаф, Дж. Б. и Абруна, Г. Д. и Бьюкенен, М. В.},
abstractNote = {Для определения областей исследований в области наук о Земле, таких как поведение многофазных жидко-твердых систем в различных масштабах, процессы химической миграции в геологических средах, характеристика геологических систем, а также моделирование и симуляция геологических систем, необходимых для улучшения энергетических систем. .},
doi = {10.2172 / 935429},
url = {https://www.osti.gov/biblio/935429}, журнал = {},
номер =,
объем =,
place = {United States},
год = {2007},
месяц = ​​{4}
}

Единое моделирование для управления динамикой реактивной мощности в электроэнергетических системах

Аннотация

Описание

Отдел

Издатель

Массачусетский технологический институт

Ключевые слова

Электротехника и информатика.

Систематический обзор картографических стратегий для сонификации физических величин

5.1 Отображение частот

5.1.1 Ожидания.

Основным показателем, рассматриваемым в систематическом обзоре, является частота использования сопоставлений. В предварительном исследовании [80] мы сформулировали три предположения, которые необходимо проверить для большего количества проектов по ультразвуковой обработке.Эти предположения, основанные на 54 публикациях, представляющих 21 проект, составляют наши предварительные гипотезы относительно сопоставлений ультразвуком и резюмируются ниже.

Гипотеза 1

Большая часть сонификационных карт следует логике экологического восприятия. Отображения часто выполняют своего рода моделирование основных физических явлений, которые могут быть реализованы либо напрямую, либо метафорически. Эти естественные ассоциации между звуком и его значением с точки зрения физики были названы Германом и Риттером « универсальные отношения » [69] и изображены как « глубоко укоренившиеся в том способе, которым мы обычно подсознательно – улавливаем значение из звуковых событий. ».

Гипотеза 2

Высота звука на сегодняшний день является наиболее часто используемым звуковым параметром при отображении звука. Обычно процесс разработки системы ультразвуковой обработки часто начинается с сопоставления наиболее важных параметров данных с частотой чистого тона – это, как выразился Хенкельманн [81], «Привет, мир» ультразвуковой обработки. Высота звука, как известно, является наиболее заметным атрибутом музыкального звука, описываемым как « – наиболее характерное свойство [музыкальных] тонов, как простых (синусоидальных), так и сложных, » [82] и « – наиболее распространенное измерение для создания звука. система музыкальных элементов. »[83]. Хотя создание системы озвучивания не эквивалентно сочинению музыки, дизайнеры озвучивания определенно находятся под влиянием музыки, ее структурных форм и эстетических ценностей [84], [85].

Гипотеза 3

Пространственные слуховые измерения почти исключительно используются для ультразвуковой обработки кинематических физических величин.

В оставшейся части этого раздела мы представим несколько методов исследования этих гипотез, а также некоторые другие аспекты данных, извлеченных из базы данных публикации.

5.1.2 Перепись картографических явлений.

Всего в 60 проанализированных проектах было обнаружено 495 совпадений. Чтобы определить наиболее популярные сопоставления, т. Е. Те, которые встречаются наибольшее количество раз, мы сначала провели простую перепись, подсчитав все случаи, выявленные в этом систематическом обзоре, которые перечислены в таблице 3. Затем мы могли бы установить рейтинг наиболее часто используемых сопоставлений, четырнадцать наиболее популярных из них представлены в таблице 5.

Как объяснялось ранее, несколько вхождений сопоставлений одного и того же физического измерения низкого уровня с нижними классами пространственной обработки (A17) учитывались как одно вхождение, хотя все они указаны в таблице 3. В соответствии с нашим методом классификации, описанным в разделе 3.2.3. , независимые физические измерения низкого уровня могут быть сгруппированы вместе в одном концептуальном измерении промежуточного уровня. Следовательно, можно идентифицировать два сопоставления одного и того же измерения промежуточного уровня с пространством, как в проектах 49, 50 и 52.Пространство – единственное звуковое измерение, принадлежащее к высокоуровневой категории Пространственное , присутствующей среди четырнадцати самых популярных отображений. Он связан с физическими размерами Location (P01) и Motion (P07), которые принадлежат к высокоуровневой категории Kinematics , которая поддерживает гипотезу 3.

Можно заметить, что более половины наиболее популярных ассоциаций между физическим и слуховым измерениями включают высоту звука (A01), что подтверждает гипотезу 2.

Все остальные (то есть не связанные с высотой тона) сопоставления, кроме одного, соответствуют естественным ассоциациям восприятия, что поддерживает гипотезу 1. Два сопоставления Location Spatialization и Motion Spatialization могут быть легко поняты: так как Spatialization соответствует представлению источника звука в пространстве и времени, это соответствует естественному представлению местоположения и движения зондирующих объектов. Отображение Distance Loudness можно объяснить законом обратной длины: затухание звуковых волн в среде передачи (например,грамм. воздух) приводит к уменьшению интенсивности звука, пропорциональному расстоянию до источника звука, и, следовательно, к уменьшению громкости. Сопоставления Energy Loudness и Signalampitude Loudness можно объяснить тем, что большее рассеивание энергии приводит к большей амплитуде звуковых волн и, следовательно, к увеличению громкости. Следует отметить, что эти соображения учитывают полярность отображения, которая не исследовалась в нашем систематическом обзоре. Для проверки этого предположения необходимы дальнейшие исследования.

Единственное отображение в Таблице 5, не подтверждающее Гипотезу 1 и Гипотезу 2, – это Продолжительность плотности.

5.1.3 Использование слуховых размеров.

Чтобы проверить гипотезу 2, мы рассмотрели частоту использования слуховых измерений независимо от звуковых физических величин. Двенадцать наиболее часто используемых слуховых измерений представлены в Таблице 6 вместе с их долей в общем количестве случаев картирования. Мы провели попарные тесты Стьюдента для этого набора пропорций, чтобы определить, какие слуховые параметры использовались значительно чаще, чем другие ().В третьем столбце таблицы 6 показано, сколько слуховых измерений использовалось значительно реже, чем в первом столбце.

Можно заметить, что высота звука (A01) является наиболее часто используемым слуховым параметром в картировании ультразвуком, и что он значительно чаще используется, чем все остальные 29 слуховых параметров в нашей классификации. Это делает гипотезу 2 подтвержденной для набора публикаций, включенных в настоящий систематический обзор. Другие часто используемые слуховые параметры – это громкость (A15), длительность (A20) и пространственность (A17).

5.1.4 Распределение отображений: высокоуровневые тренды.

Чтобы изучить значительные расхождения в распределении событий на картировании, мы выполнили статистические тесты на максимально возможной выборке населения, собрав физические и слуховые измерения в более крупные категории в соответствии с классификацией, представленной в разделе 3.2.3. Категории высокого уровня, соответствующие классификации физических (соответственно слуховых) измерений, представлены в Таблице 1 (соответственно Таблице 2).Это имеет то преимущество, что снижает субъективный характер нашей классификации, пять категорий высокого уровня являются относительно стабильными, а включение конкретного сопоставления менее предметом споров. С другой стороны, информационное сито, вероятно, слишком грубое для надлежащего описания стадии проектирования системы ультразвуковой обработки, которая, скорее всего, будет включать промежуточные или низкоуровневые измерения. Распределение отображений на промежуточном уровне будет рассмотрено в следующем разделе.

событий сопоставления были агрегированы для всех измерений, как для физического, так и для слухового домена, и суммированы по категориям высокого уровня. Как и раньше, сопоставления, указанные в Таблице 3, включающие пространственное измерение нескольких классов (A17), рассматривались как одно сопоставление, когда оно соответствовало одному и тому же физическому измерению низкого уровня. Сопоставления физических измерений с подклассами многомасштабного измерения Длительность (A20) считались независимыми друг от друга и поэтому были агрегированы отдельно.В случае отображения данного физического измерения на слуховое измерение, принадлежащее двум или более высокоуровневым категориям, отображение подсчитывалось один раз для каждой соответствующей высокоуровневой категории. Полученное распределение вхождений сопоставления показано в таблице 7.

Поскольку мы рассматриваем выбор сопоставлений ультразвуковой обработки как проблему проектирования, мы сосредоточили свое внимание на типичной проблеме для проектировщика ультразвуковой обработки, то есть установлении типа слухового измерения, которое будет использоваться для сопоставления данного физического измерения.Чтобы иметь возможность сравнивать стратегии сопоставления для различных категорий высокого уровня в физическом домене, мы нормализовали данные в соответствии с количеством сопоставлений, идентифицированных для этих категорий. То есть для каждой строки, соответствующей высокоуровневой категории в физическом домене, мы вычислили долю отображений, соответствующих каждой высокоуровневой категории в слуховой области. Эти нормализованные пропорции представлены в Таблице 7 и показаны на Рисунке 2.

Рисунок 2.Пропорции отображений, нормализованные по категориям высокого уровня в физическом домене.

Можно заметить, что слуховые измерения, связанные с громкостью, используются в основном для озвучивания физических величин, принадлежащих к категории высокого уровня Kinetics . Пространственные слуховые измерения используются в основном для озвучивания физических величин, принадлежащих к высокоуровневой категории Кинематика .

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082491.g002

Наша цель затем состоит в том, чтобы определить, какие категории в слуховой области использовались значительно чаще для ультразвуковой обработки определенной категории физических измерений высокого уровня. Для каждой высокоуровневой категории в физическом домене мы выполнили попарные -тесты Стьюдента () между высокоуровневыми категориями в слуховой области на нормализованные проценты. Наблюдались следующие существенные различия:

1. Для ультразвуковой обработки физических измерений, принадлежащих к категории высокого уровня Кинематика : Связанные с высотой звука и Темпоральные звуковые параметры использовались значительно чаще, чем Связанные с громкостью звуковые параметры.
2. Для ультразвуковой обработки физических измерений, принадлежащих к категории высокого уровня Кинетика : Пространственные слуховые измерения, как было обнаружено, использовались значительно реже, чем слуховые измерения, принадлежащие всем другим высокоуровневым категориям (, связанные с высотой звука , Громкость- связанные , Temporal и Timbral ).
3. Для ультразвуковой обработки физических измерений, принадлежащих к категории высокого уровня Материя : Пространственные слуховые измерения вообще не использовались.Все остальные категории высокого уровня (, связанные с высотой звука, , , связанные с громкостью, , Temporal, и Timbral, ) использовались значительно больше, чем на 0%.
4. Для ультразвуковой обработки физических измерений, принадлежащих к категории высокого уровня. Время : Тембральные слуховые измерения используются значительно чаще, чем слуховые измерения, связанные с громкостью. Пространственные слуховые измерения используются значительно реже, чем слуховые измерения, принадлежащие к высокоуровневым категориям , связанные с высотой звука , Temporal и Timbral .
5. Для ультразвуковой обработки физических измерений, принадлежащих к категории высокого уровня Измерения : Было обнаружено, что слуховые измерения , связанные с громкостью, используются значительно реже, чем слуховые измерения, принадлежащие к категориям высокого уровня Связанные с высотой звука и Тембральные . Пространственные слуховые измерения используются значительно реже, чем слуховые измерения, принадлежащие к высокоуровневым категориям , связанные с высотой звука , Temporal и Timbral .

Используя двойственный подход, можно было бы исследовать использование слуховых измерений в ультразвуковых исследованиях, то есть какие типы физических измерений были обработаны ультразвуком с использованием определенных слуховых измерений. Как объяснялось выше, мы нормализовали количество вхождений сопоставления в каждой высокоуровневой категории в физическом домене по отношению к общему количеству вхождений сопоставления, идентифицированных в этой категории. Полученные таким образом проценты не зависят от объема проектов, реализующих ультразвуковую обработку определенных физических размеров, что позволяет нам сравнивать типы слуховых измерений, используемых при ультразвуковой обработке, в зависимости от категории высокого уровня физических входных данных.Наша цель затем состоит в том, чтобы определить, какие категории в физической области подвергались ультразвуковой обработке значительно чаще, используя данную высокоуровневую категорию слуховых измерений. Для каждой категории высокого уровня в слуховой области мы выполнили попарные -тесты Стьюдента () между категориями высокого уровня в физической области на нормализованные проценты. Наблюдались следующие существенные различия:

1. Использование Связанные с высотой звука слуховые измерения: не было обнаружено значительных различий между категориями высокого уровня в физической области.
2. Использование Связанные с громкостью слуховые измерения: физические измерения, относящиеся к категории высокого уровня Kinetics , были подвергнуты ультразвуковой обработке значительно чаще, чем физические измерения, принадлежащие к категориям высокого уровня Kinematics и Dimensions .
3. Использование Temporal Слуховые измерения: не было обнаружено значительных различий между категориями высокого уровня в физической области.
4. Использование Timbral слуховые измерения: не было обнаружено значительных различий между категориями высокого уровня в физической области.
5. Использование Пространственные слуховые измерения: физические измерения, принадлежащие к категории высокого уровня Материя , вообще не использовались. Было обнаружено, что физические размеры, принадлежащие к категории высокого уровня Kinematics , подвергаются ультразвуковой обработке значительно чаще, чем физические размеры, принадлежащие ко всем другим категориям высокого уровня ( Kinetics , Time и Dimensions ). Это делает гипотезу 3 подтвержденной для набора публикаций, включенных в настоящий систематический обзор.

Можно было бы считать удивительным то, что не наблюдали внутренне естественную ассоциацию, а именно ультразвуковые физические измерения, принадлежащие к категории высокого уровня Время с использованием Temporal слуховых измерений. Из-за временной природы звука эта ассоциация воплощает тривиальный случай отображения, когда входные и выходные данные имеют одинаковую физическую природу. Тот факт, что эта связь не была подчеркнута в настоящем исследовании, можно объяснить своего рода предвзятостью, возникающей в процессе идентификации отображений, делающих одно из наиболее распространенных отображений неявным.Фактически, каждый проект, описываемый как «интерактивная обработка ультразвуком» или «ультразвуковая обработка в реальном времени» (по крайней мере), можно рассматривать как включающий отображение измерения «Мгновенный» – в качестве физических входных данных – в измерение «Мгновенное» в качестве аудиовыхода.

5.1.5 Распределение отображений: тренды среднего уровня.

В то время как в предыдущем разделе мы исследовали тенденции в дизайне ультразвуковой обработки на высоком уровне описания, разработчикам ультразвуковой обработки часто важно проводить четкое различие между измерениями промежуточного уровня в пределах одной и той же категории высокого уровня – e.грамм. путем выбора между отображением скорости (P02) и ускорения (P03) на разные слуховые параметры. Эти различия не появляются в классификации высокого уровня, и более тонкие тенденции также могут выравниваться, если их сгруппировать вместе. Точно так же категории высокого уровня в слуховой области не предоставляют подробной информации об ожидаемых эффектах восприятия. Например, сопоставление данного физического измерения с аллофоном (A07) или яркостью (A12) может восприниматься слушателем по-разному, что приводит к переменной эффективности.С другой стороны, низкоуровневые измерения, часто очень специфичные для области применения, не позволяют нам выявить статистически значимые различия в использовании сопоставлений. Размеры промежуточного уровня, представленные в таблицах 1 и 2, представляют собой более подходящий уровень описания для попытки установить руководящие принципы проектирования или для исследования использования ультразвуковой обработки, как в настоящем исследовании.

Метод, используемый для определения тенденций в категориях высокого уровня, не очень хорошо подходит для относительно небольшого числа отображений для каждой связи между физическим измерением и слуховым измерением.Во многих случаях не было обнаружено никаких вхождений конкретного сопоставления. Пропорции вхождений отображения могут быть получены таким же образом, как и в предыдущем разделе, вычисляя проценты, нормализованные по общему количеству вхождений отображения, идентифицированных для каждого физического измерения. Однако при выполнении парных -тестов Стьюдента для этих пропорций значимые различия могли быть получены только в очень немногих случаях. Мы решили сосредоточиться на сопоставлениях, доля использования которых значительно больше нуля ().В Таблице 8 мы представляем каждое физическое измерение, участвующее хотя бы в одном таком отображении, вместе с общим количеством идентифицированных вхождений отображения, включающих это измерение. В третьем столбце мы отображаем количество слуховых измерений, которые использовались хотя бы один раз для определения этой физической величины ультразвуком. Наконец, перечислены слуховые параметры, используемые значительно более 0% времени, вместе с нормализованным процентом использования соответствующего сопоставления. Физические размеры, не участвующие в таком отображении (т.е. для которых не было обнаружено, что сопоставление использовалось значительно более 0% времени), не отображаются в таблице. В пяти случаях было обнаружено, что конкретное слуховое измерение используется значительно чаще, чем другие слуховые измерения, используемые хотя бы один раз для ультразвуковой обработки того же физического измерения (). Эти случаи выделены в таблице 8.

5.1.6 Пример мультиклассового измерения.

В нашей классификации мы ввели пример мультиклассового слухового измерения, определив различные аспекты (технические, теоретические, перцепционные) реализации пространственной пространственности (A17).Как объяснялось ранее, классы, определенные в нашей классификации, соответствуют этим различным аспектам и, следовательно, не являются взаимоисключающими (т.е. вхождение отображения может принадлежать нескольким классам одновременно). Анализ распределения вхождений отображения по этим классам предоставляет информацию о том, как разработчики ультразвуковой обработки реализуют и используют пространственный звук. Доля вхождений сопоставления, прикрепленных к каждому классу, по отношению к общему количеству вхождений сопоставления с использованием пространственной обработки представлена ​​в таблице 9.Можно заметить, что стереопанорамирование (), которое можно рассматривать как очень простую реализацию пространственного звука, составляет более половины применений пространственного звучания. Парные тесты Стьюдента между пропорциями, относящимися к разным классам, показывают, что стереопанорамирование используется значительно () чаще, чем все другие классы.

Мы могли бы пойти дальше и провести аналогичные исследования, как в разделах 5.1.4 и 5.1.5, чтобы изучить зависимость от типа входных физических измерений распределения отображений между классами пространственной обработки.Однако на текущем этапе исследования эти исследования, вероятно, не дадут окончательных результатов: на промежуточном уровне небольшое количество явлений, выявленных для каждого отдельного картирования, делает идентификацию отмеченных тенденций маловероятной. На высоком уровне ранее было показано, что слуховые измерения Spatial используются для озвучивания почти исключительно физических измерений, принадлежащих к категории высокого уровня Kinematics .

5.1.7 Пример многомасштабного измерения.

Мы также предоставили пример многомасштабного измерения в нашей классификации, а именно Продолжительность (A20), подробно описанный в Разделе 4.3. Это слуховое измерение было разделено на три подкласса, представляющих разные временные шкалы (ритмический, событийный, окружающий), и один подкласс для случаев, когда шкала времени не была указана. Так же, как в примере с несколькими классами, многомасштабная структура позволяет изучить это измерение на более высоком уровне детализации, исследуя использование каждой шкалы как отдельного измерения, независимо от входных физических размеров (как в Раздел 5.1.3) или в зависимости от них (на высоком уровне, как в Разделе 5.1.4, или на промежуточном уровне, как в Разделе 5.1.5). В отличие от классов из Spatialization (A17), представленных в предыдущем подразделе, разные шкалы продолжительности по определению исключают друг друга. Несмотря на то, что он рассматривается как отдельный параметр из-за его принадлежности к дополнительной высокоуровневой категории, мы включили слуховой параметр «Спектральная продолжительность» (A28) в многомасштабный анализ. Таким образом, мы могли бы рассмотреть весь диапазон длительностей, полностью воспроизведя классификацию шкал времени Сауэ [78].

Как и в примере с несколькими классами, небольшое количество отображений в каждой категории не позволило нам наблюдать существенные различия, связанные с физическими измерениями промежуточного уровня. В Таблице 10 мы показываем пропорцию для каждой шкалы, нормализованную по общему количеству отображений в каждой физической категории высокого уровня, а также долю отображений для каждой шкалы независимо от физического измерения. Парные -тесты Стьюдента () для категорий высокого уровня в физической области не выявили существенных различий в использовании временных шкал.Попарные тесты Стьюдента () для разных шкал показали, что продолжительность ритма (A20 ₁ ) использовалась значительно чаще, чем все другие шкалы, при ультразвуковой обработке физических величин, принадлежащих к категории высокого уровня Кинематика , а также независимо от физическое измерение.

5.1.8 Оценочные сопоставления.

Чтобы достичь зрелости, область ультразвуковой обработки требует разработки и широкого использования в обществе надежных методов оценки.Недавние обзорные исследования [42], [47] показали, что оценка систем ультразвуковой обработки еще не является систематической, хотя и имеет решающее значение с точки зрения дизайна. В большинстве случаев, когда проводится какая-либо оценка, она заключается либо в функциональной квалификации ультразвуковой обработки (т. Е. Показывается, что дисплей позволяет выполнить заданную задачу), либо в оценке ее эффективности (т. Е. Исследование для в какой степени это имеет ценный эффект). Как следствие, большинство этих исследований сосредоточено на оценке слухового отображения в целом, а не на подробном исследовании отображений сонификации, что означает, что отображения часто выбираются произвольно или произвольно.Проблема картирования затрагивалась лишь несколькими исследованиями, специально посвященными психоакустическим аспектам, такими как проекты 15 и 27 в настоящем систематическом обзоре.

Как описано в Разделе 3.2.2, мы считали, что отображение было оценено как хорошее (соответственно оцененное как плохое), когда оно было признано значительно более эффективным (соответственно менее эффективным) по сравнению с другими отображениями на основе объективных тестов. Сопоставления, которые были описаны как нефункциональные, также были оценены как плохие. Оценочные метки были присвоены 30 вхождениям на карту (15 были оценены как хорошие, 15 как плохие), что составляет 6.1% из 495 картографических явлений, выявленных в систематическом обзоре. Все задействованные сопоставления оценивались только один раз, за ​​исключением темпа скорости (P02 A19, дважды оценивается как хороший) и длительности ритма движения (P07 A20 ₁ , дважды оценивается как плохой). Семь проектов, представляющих 11,7% из 60 проектов, рассмотренных в систематическом обзоре, включали по крайней мере одно отображение на карте с оценочной меткой. Эти довольно маленькие пропорции подчеркивают общую тенденцию в ультразвуковых исследованиях уделять мало внимания оценке индивидуальных сопоставлений.

5.1.9 Будущие отображения.

Всякий раз, когда отображение упоминалось как потенциально интересное приложение, но не было реализовано в рамках проекта, ему присваивалась специальная метка (F). В общей сложности 17 случаев картирования были помечены как «будущее применение», что составляет 3,4% из 495 случаев картирования, выявленных в систематическом обзоре. Даже если эти конкретные сопоставления оставались виртуальными, исследователи выразили глубокое размышление о дизайне ультразвуковой обработки.По этой причине мы решили не отличать эти конкретные случаи отображения от нормальных событий (то есть фактически реализованных) при выполнении статистических тестов, представленных ранее.

5.1.10 Анализ на основе ключевых слов.

Помимо классификации в концептуальные измерения промежуточного уровня и группировки в категории высокого уровня, представленной ранее, к измерениям нижнего уровня можно применять различные фильтры для поиска конкретной информации.В качестве примера мы отфильтровали низкоуровневые физические измерения по двум дополнительным ключевым словам: по горизонтали и вертикали. Далее мы представляем низкоуровневые измерения, включенные в категорию, образованную каждым ключевым словом. Каждый из них принадлежит к измерению промежуточного уровня в нашей исходной классификации, которое указывается через его метку.

1. Для ключевого слова Horizontal: горизонтальное положение (P01), положение x (P01), карта: долгота (P01), азимутальный угол (P06), радиальное направление (P06), горизонтальное направление (P07), горизонтальное перемещение углов рта ( P07), ширина (P32), ширина текстона (P32).
2. Для ключевого слова Вертикаль: вертикальное положение (P01), положение y (P01), вертикальное положение максимума (P01), карта: широта (P01), наклон (P06), вертикальное смещение (P07), вертикальное движение губ ( P07), вертикальное направление (P07), величина отклонения вертикального смещения (P07), вертикальная сила (P10), высота (P32), карта: высота (P32), отклонение высоты (P32).

Те же статистические тесты, что и те, что были выполнены в предыдущих подразделах, могут быть выполнены для категорий на основе ключевых слов.Для иллюстрации мы исследовали тенденции на промежуточном уровне для двух категорий, соответствующих ключевым словам, таким же образом, как в Разделе 5.1.5.

Были вычислены нормализованные доли отображений. Отображения, используемые значительно более 0% времени (), показаны в Таблице 11. Для каждой категории на основе ключевых слов общее количество идентифицированных отображений представлено вместе с количеством слуховых измерений, использованных хотя бы один раз. Наконец, перечислены слуховые параметры, используемые значительно более 0% времени, вместе с нормализованным процентом использования соответствующего сопоставления.Случаи, когда было обнаружено, что слуховой параметр использовался значительно чаще, чем другие слуховые параметры, использованные хотя бы один раз для озвучивания одной и той же категории на основе ключевых слов (), выделены в таблице. Мы можем наблюдать, что физические измерения, связанные с горизонтальностью, чаще всего озвучиваются посредством пространственной пространственной обработки, в то время как те, которые связаны с вертикальностью, чаще всего озвучиваются посредством изменения высоты тона. Эта конкретная тенденция не была видна в исходной классификации из-за группировки физических измерений низкого уровня, принадлежащих к двум категориям на основе ключевых слов, в разных измерениях промежуточного уровня.

Другие интересные тенденции могут быть выявлены путем фильтрации измерений физических или слуховых данных с использованием тщательно отобранных ключевых слов. Например, мы могли бы создать категории, собирающие низкоуровневые физические измерения, связанные с неопределенностью, например включая такие размеры, как отклонение различных физических величин от эталонного значения. Мы также могли бы рассмотреть конкретную область применения, например ультразвуковая обработка ЭЭГ путем определения категории, объединяющей все измерения низкого уровня, происходящие из этой области.

5.2 Другие тенденции

В предыдущих подразделах мы сосредоточились на отображении частот, чтобы исследовать связи между физическими и слуховыми измерениями, которые использовались в прошлых работах по ультразвуковой обработке. Для извлечения другой информации из шестидесяти проанализированных нами проектов можно использовать разные подходы.

5.2.1 Тенденции, связанные с проектами.

Вместо использования подхода, ориентированного на отображение, как в Разделе 5.1, мы можем исследовать тенденции, связанные с проектом.Статистические тесты того же типа могут быть выполнены с учетом доли проектов, использующих конкретное отображение или измерение. Для иллюстрации мы исследовали использование слуховых измерений в шестидесяти проектах, включенных в это исследование. В Таблице 12 мы представляем долю проектов, в которых хотя бы один раз использовались определенные слуховые параметры. В таблице показаны восемь слуховых измерений, используемых в наибольшем количестве проектов. Мы провели попарные тесты Стьюдента для этого набора пропорций, чтобы определить, какие слуховые измерения использовались в значительно большем количестве проектов, чем другие ().Третий столбец в Таблице 12 показывает, сколько параметров слуха использовалось значительно меньшим количеством проектов, чем тот, который указан в первом столбце.

Тот же подход может быть использован для исследования доли проектов, анализирующих данные физические размеры, или использования определенных ассоциаций между категориями – как на среднем, так и на высоком уровне.

5.2.2 Историческое распределение.

Мы рассмотрели распределение за время обработки ультразвуком работ из базы данных публикаций в зависимости от года публикации.Публикации, включенные в настоящее исследование, следует отличать от остальных статей: в то время как первые соответствуют практическим применениям ультразвуковой обработки физических величин, последние рассматриваются только как потенциально интересные на данном этапе и будут включены в будущие разработки представленного систематического обзора. что они соответствуют критерию включения, определенному в разделе 3.1.1. Историческое распределение записей в базе данных, включающее как включенные, так и оставшиеся публикации, показано на рисунке 3 вместе с распределением только включенных произведений.Самая ранняя запись в базе данных – это технический отчет, опубликованный в 1946 году. Распределение записей в базе данных было редким до 1980-х годов, затем показывает медленный рост количества публикаций до начала 1990-х годов, за которым следует нерегулярный, но быстрый рост с тех пор. тогда.

Рисунок 3. Историческое распределение работ по ультразвуковой обработке по годам публикации.

Красная кривая соответствует публикациям, рассматриваемым в настоящем систематическом обзоре. Черная кривая соответствует работам, включенным в базу данных публикации, в том числе рассматриваемым для настоящего систематического обзора.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082491.g003

Исторический компонент картографирования можно было бы изучить в будущем, отслеживая эволюцию его использования с течением времени. Это может быть способ оценки степени успеха картографирования.

5.2.3 Классификация проектов.

Шестьдесят проектов, включенных в настоящий систематический обзор, представляют собой образец типичных работ по ультразвуковой обработке и могут быть использованы для инициирования функциональной классификации приложений ультразвуковой обработки.Связав функцию проекта ультразвуковой обработки с использованием характеристик обработки ультразвуком, определенных в разделе 1.2, мы определили семь широких категорий, охватывающих эти характеристики: мониторинг , восприятие движения (включая кинестезию, обучение и реабилитацию), доступность ( включая сенсорную замену и помощь мобильности), исследование данных (включая интеллектуальный анализ данных), дополнение к визуализации (включая ультразвуковую обработку карт), искусство и эстетика и изучение психоакустики .Все проекты были классифицированы в соответствии с их функциями, выраженными исследователями. Мы решили рассмотреть только основную функцию данного проекта, хотя во многих случаях также были описаны второстепенные функции. Например, «Проект 58» соответствует художественной инсталляции, исследующей траекторию космических частиц. Он относится к категории искусства и эстетики в нашей классификации, но также представляет собой разновидность восприятия движения , которая рассматривалась как второстепенная функция и поэтому здесь не описывается.Полученная классификация представлена ​​на рисунке 4.

Неудивительно (поскольку соответствует одному из критериев включения в систематический обзор), большинство проектов связаны с категориями, соответствующими практической функции: исследование данных , доступность , восприятие движения и мониторинг . Художественные работы составляют 20% проектов, что является относительно большой частью, учитывая, что художественная природа звукофикации оспаривается.Только 2 проекта из 60 соответствуют исследованиям психоакустики, направленным на оценку перцептивных эффектов звуковых карт. Этот пример классификации основан на ограниченной выборке проектов, использует довольно широкие категории и учитывает только основную функцию проектов. В будущем могут быть изучены более продвинутые способы классификации проектов ультразвуковой обработки. Могут быть проведены другие виды классификации проектов, например: согласно дисциплине, приложенной к ультразвуковым данным.

5.2.4 Звуковой материал.

Шестьдесят проектов настоящего систематического обзора также предоставляют информацию о типах звукового материала, используемого для реализации приложений ультразвуковой обработки. Выбор звукового материала имеет решающее значение для проектирования ультразвуковой обработки, поскольку он может существенно повлиять на эффективность конкретных отображений или даже всего слухового дисплея.

Для каждого проекта подробное описание звукового материала приведено в четвертом столбце таблицы 3.Для описания звукового материала можно использовать несколько точек зрения, среди которых уровень синтеза, общая категория звука, существующие стандартные протоколы и используемое программное обеспечение. Среди проектов были обнаружены три различных уровня синтеза: низкоуровневый синтез , высокоуровневый синтез и дисплеи на основе сэмплов . Низкоуровневый синтез соответствует случаям, когда слуховой дисплей состоит из формы волны, возникающей в результате прямого создания и обработки сигнала (например,грамм. чистые тона, FM-синтез, фильтрованный шум), тогда как синтез высокого уровня соответствует использованию более продвинутых ранее существовавших моделей (например, моделей для синтеза голоса или физических взаимодействий). Отображение на основе сэмплов формируется из предварительно записанных звуковых файлов, которые воспроизводятся и, возможно, обрабатываются одновременно. Были определены три основные категории звуков: музыкальных звуков , голоса или синтез речи и звуков окружающей среды . Для передачи информации использовались два стандартных протокола: MIDI и OSC .Наконец, мы исследовали использование нескольких распространенных программных платформ для звукового дизайна и производства. На рисунке 5 показано количество проектов, связанных с каждой категорией.

Рис. 5. Звуковой материал, использованный в проектах, рассмотренных в настоящем систематическом обзоре.

Результаты представлены в группах, соответствующих уровню синтеза, общей категории звука, стандартным протоколам и программному обеспечению.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0082491.g005

Проблема звукового материала, используемого в приложениях для обработки ультразвуком, недавно была рассмотрена в обзорном исследовании Бирмана и Брауна [43]. Исследуя использование различных «инструментов синтеза » , они обнаружили, что самыми популярными программными платформами были SuperCollider и PureData.

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки вашего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.