【実験】 位置エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を求めよう

エネルギーを別のエネルギーに変換するときにロスが出ますが、ではほしいエネルギーは何%程度得られるのか。
お金のたとえでいえば、消費税とか手数料とか金利とかとられて、手に入る商品の価格は、支払った金額の何%なのか(1000円払ったらいくらの商品が手に入るのか)、これを求めてみたいと思います。

具体例として、位置エネルギーから電気エネルギーへの変換効率を取り上げます。

新登場の実験道具「プーリー付きゼネコン」です。
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ちなみにこちらが普通のゼネコン(手回し発電機)
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そう、違いは左側のハンドルの代わりにプーリー(pulley)があります。
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プーリーにタコ糸を巻き付け、タコ糸のもう一端に重りとして水の入ったペットボトルを結びつけます。
で、電気回路がわには豆電球(6.3V用)と電流計電圧計をセットしました。
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そして、1mの高さからペットボトルを落とすと、プーリーが回転し、ゼネコンが発電します。
その時の電圧、電流、そして着地するまでの(発電していた)時間を測ります。
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何回か繰り返して平均をとりましょう。そうそう、ペットボトルの質量もチェック!
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ペットボトルの質量がわかれば、ペットボトルにかかる重力がわかる。
これに1mをかければ、1mの高さにあるときのペットボトルの位置エネルギーが求められます。これが支払ったお金。
一方、電圧と電流をかけると電力が、さらに時間(秒数)をかければ、電気エネルギーの量が求まります。これが受け取った商品。
電気エネルギー÷位置エネルギー×100%で変換効率が求まります。
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実験の様子です。



標準的な一つの班の実験結果の例です。

ペットボトルの質量 500g
電圧 3.4V 電流0.11A 時間4.3秒 (3回の平均)

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このとき
位置エネルギーは 5N×1m=5J
電気エネルギーは 3.4V×0.11A×4.3s=1.6J
変換効率 は1.6J/5.0J=32%
と求まります。
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