Работа и мощность тока. Тепловое действие тока - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Цели урока:

Ввести понятие работы электрического тока; вывести формулу для расчета работы тока. Научиться определять мощность и работу тока в лампе, используя амперметр, вольтметр и часы.

Оборудование (для кратковременной лабораторной работы):

Источник питания, низковольтная лампа на подставке, вольтметр, амперметр, ключ, соединительные провода, секундомер (или часы с секундной стрелкой).

Ход урока

I. Анализ контрольной работы

II. Повторение

- Какая связь между количеством электричества и силой тока?

- Что является причиной электрического тока?

- Какую роль выполняет источник тока?

- Что показывает напряжение на участке цепи?

III. Работа и мощность тока

В источнике тока за счет энергии неэлектрического происхождения совершается работа по разделению электрических зарядов и создается электрическое поле. Энергетической характеристикой электрического поля в цепи является напряжение. В замкнутой цепи под действием электрического поля электроны движутся к положительному полюсу источника, т. к. в цепи поддерживается ток.

Таким образом, за счет энергии электрического поля совершается работа по перемещению электронов. Электроны движутся в проводнике, взаимодействуя при этом с ионами кристаллической решетки металла и, тем самым, изменяют скорость теплового движения ионов. При этом внутренняя энергия проводника увеличивается. Проводник нагревается.

Вывод: в замкнутой цепи происходит превращение одного вида энергии в другой.

Во всех случаях, когда происходит превращение одного вида энергии в другой, совершается работа. Электрическое поле, увеличивая скорость теплового движения ионов проводника, совершает работу или, как условно говорят, электрический ток совершает работу. Такая работа совершается в электробытовых приборах (холодильник, утюг, фен, и т. д.).

Запишем формулы:

где А - работа [Дж];

I – сила тока [А];

U - напряжение [В];

T - время [с];

Р - мощность [Вт].

Для измерения работы необходимо три прибора: вольтметр, амперметр и часы. На практике используют специальный прибор - счетчик. В устройстве счетчика как бы сочетаются три названных выше прибора. Работа рассчитывается по формуле:

A =Pt.

При оплате электроэнергии по счетчику используется «крупная» единица измерения работы тока: киловатт в час.

IV. Кратковременная лабораторная работа «Измерение мощности и работы тока в электрической лампе»

Указания к работе:

1. Соберите цепь из источника питания, лампы, амперметра и ключа, соединив все последовательно.

2. Измерьте вольтметром напряжение на лампе.

3. Начертите в тетради схему собранной цепи и запишите показания приборов.

4. Вычислите мощность тока в лампе.

5. Заметьте время включения и выключения лампы. По времени ее горения и мощности определите работу тока в лампе.

6. Проверьте, совпадет ли полученное значение мощности с мощностью, обозначенной на лампе. Если значения не совпадут, объясните причину этого.

V. Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца

- Как объяснить, почему проводники обладают сопротивлением?

- Как понимать выражение: «Внутренняя энергия проводника увеличилась?»

- Как объяснить нагревание проводника при прохождении по нему тока? В металлах электроны, двигаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с ионами кристаллической решетки вещества проводника и передают им часть своей энергии, приобретенной в результате действия электрического поля. При этом скорость колебательных движений ионов увеличивается, следовательно, увеличивается и их кинетическая энергия, что приводит к увеличению внутренней энергии проводника и его нагреванию.

Запишем формулы:

Тогда:

Q = I²Rt.

Это и есть формула закона Джоуля-Ленца.

Различные потребители тока, в том числе и нагревательные приборы, как правило, включаются в цепь параллельно. Это приводит к уменьшению сопротивления участка цепи, а следовательно, к увеличению силы тока в цепи. Так как всякий проводник рассчитан на ток определенной величины, то перегрузка цепи приводит к перегреву изоляции, которая может даже воспламениться.

Для защиты электрических цепей от перегрузки ставят плавкие предохранители. Пользуясь квартирным предохранителем («пробкой»), учитель объясняет его устройство, показывает, как предохранители изображаются на чертежах. На модели демонстрируется, как предохранители отключают линию.

В качестве модели предохранителя используется узкая полоска фольги. При соединении несущих проводов металлическим штырем сопротивление участка цепи уменьшается, при этом резко возрастает сила тока, что приводит к плавлению фольги. При проведении опыта у демонстрационного стола не должны находиться учащиеся.

VI. Закрепление изученного

- Чему равно электрическое напряжение на участке цепи?

- Какими приборами измеряют работу электрического тока?

- Что называется мощностью тока? Как рассчитать мощность тока?

- Какую величину обычно указывают в паспортах приемников тока?

- Какие единицы работы тока используют?

- Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

- Как формулируется закон Джоуля-Ленца? Почему он носит такое название?

VII. Решение задач

Задача 1

По сопротивлению, к концам которого приложено напряжение 220 В, течет ток с силой 4 А. Определите мощность электрического тока и работу, совершаемую электрическим током за 10 с.

Дано:

Решение:

Мощность тока в цепи равна: Р = U · I,

Р = 220 В · 4 А = 880 Вт.

Работа электрического тока на участке цепи: А = Р · t,

A = 880 Вт · 10 с = 8800 Дж = 8,8 кДж.

Ответ: Р = 880 Вт, А = 8,8 кДж.

Задача 2

Расход энергии в электрической лампе при силе тока 0,5 А в течение 8 ч составляет 1728 кДж. Чему равно сопротивление лампы?

Дано:

Решение:

А = 1728 кДж = 1728000 Дж; t = 8ч = 8 · 3600 с.

Работа электрического тока на участке цепи:

По закону Ома:

Ответ: R = 240 Ом.

Задача 3

Определите стоимость электроэнергии, потребляемой телевизором в течение 2 ч, если стоимость 1 кВт·ч равна 1 руб., а потребляемая телевизором мощность от сети - 150 Вт.

Дано:

Р = 150 Вт

t = 2 ч

тариф - 100 руб./кВт·ч

стоимость - ?

Решение:

Работа тока на участке цепи: А = Р · t,

А = 150 Вт · 2 ч = 300 Вт·ч = 0,3 кВт·ч.

стоимость = 1 · 0,3 = 30 коп.

Ответ: стоимость электроэнергии - 30 коп.

Задача 4

Определите количество теплоты, выделяющейся за каждые 10 мин в электрической печи, включенной в сеть напряжением 220 В, если сила тока в обмотке печи составляет 2 А.

Дано:

U= 220 В

I = 2 А

t = 10 мин = 600 с

Q = ?

Решение:

Количество теплоты, выделяемое проводником, по которому течет ток, равно работе тока, т. е.:

Q = А = U · I · t,

Q = 220 В · 2 А · 600 с = 264000 Дж = 264 кДж.

Ответ: Q = 264 кДж.

Задача 5

Проволочная спираль, сопротивление которой в нагретом состоянии равно 55 Ом, включена в сеть напряжением 110 В. Какое количество теплоты выделит эта спираль за 1 мин?

Дано:

U = 110 В

R = 55 Ом

t = 1 мин = 60 с

Q = ?

Решение:

По закону Джоуля-Ленца: Q = U · I · t (1),

По закону Ома:

Подставим (2) в (1):

Ответ: Q = 13,2 кДж

Задача 6

Какую массу воды можно нагреть от 10 °С до 100 °С за счет энергии, получаемой за 15 мин электрическим чайником, включенным в сеть напряжением 220 В, при силе тока 2 А? (Ответ: 1 кг.)

Домашнее задание

1. § 18, 19;

2. Задачи 82, 84, 86;

3. Трое учащихся (по желанию) готовят доклады о А. Н. Ладыгине, П. Н. Яблокове, Эдисоне.