Урок Тепловое действие тока. Закон Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока
Тема урока: Тепловое действие тока. Закон
Джоуля-Ленца. Работа и мощность электрического тока.
Цели урока:
Разъяснить сущность понятий работа и мощность тока.
Обучить обучающихся методу решения задач на расчет количества тепла, выделившейся в проводнике, с целью осознания возможности управления физическими процессами с помощью объектов бытовой техники и техники применяемой при работе по данной профессии.
Научить обучающихся измерять параметры реальных технических устройств профессионального назначения и бытового (электроплитки, миксера, кофеварки, электрочайника) проводить расчеты.
В процессе урока развивать логическое мышление, интерес к изучаемому предмету.
Расширить политехнический кругозор обучающихся.
На примере перехода неэлектрических видов энергии в энергию электрического поля в источниках тока и перехода энергии электрического поля в неэлектрические виды энергии в электрических цепях, показать, что энергия в природе не создается и не уничтожается, а только переходит из одного вида энергии в другой.
Основные знания и умения
1. Знать и уметь применять в решении задач формулы работы и мощности, закон Джоуля - Ленца.
Уметь рассчитывать стоимость электрической энергии.
Знать практическое применение теплового действия тока.
Тип урока. Комбинированный с применением поурочной карты
Оснащение урока: мультимедийный проектор, презентация, гальванометр, термистор, источник питания, панели с параллельным и последовательным соединением лампочек, лампа накаливания, структурно-логические схемы, Ход урока.
I. Организационный момент (2 мин.).
П. Актуализация знаний (20 мин.).
1. Определить внутреннее сопротивление источника электрической энергии, э.д.с. которого 12В, если при внешнем сопротивлении 23 Ом сила тока в цепи 0,5 А.
Три источника электрической энергии с э.д.с.
1,1. В и внутренним сопротивлением 0,9 Ом каждый соединены последовательно с разноименными полюсами и замкнуты на внешнюю цепь сопротивлением 3,9 Ом. Определить силу тока в цепи.
3. Дать понятие сверхпроводимости.
Дать понятие работы сторонних сил, э.д.с. Вывести формулу для закона Ома для полной цепи.
План изучения нового материала
а) понятие работы электрического тока;
б) зависимость работы, мощности и количества теплоты от сопротивления резисторов при последовательном и параллельном соединении;
в) тепловое действие тока. Закон Джоуля- Ленца.
г) вывод формул мощности электрического тока. Единицы мощности;
д) применение теплового действия в быту и профессиональной деятельности
е) решение компетентностно- ориентированных заданий
III. Изучение нового материала (40 мин.).
а) В электрической цепи происходит ряд превращений энергии. При упорядочном движении заряженных частиц в проводнике электрическое поле совершает работу. Эту работу принято называть "работой тока".
Вычислить значение работы, совершаемой электрическим полем на произвольном участке цепи. Это может быть однородный проводник, например спираль электроплитки, обмотка электродвигателя холодильника.
Пусть за время
·t через поперечное сечение проводника проходит заряд Q. Тогда электрическое поле совершит работу A=QU, т.к. I=Q/
·t ( Q= I
·t; A=I
·t U,
A=IU
·t.
ВЫВОД: Работа тока на участке цепи равна произведению силы тока на напряжение и на время в течении которого совершалась работа.
Согласно закону сохранения энергии эта работа должна быть равна изменению энергии рассматриваемого участка цепи. Поэтому энергия, выделяемая на данном участке цепи за время
·t, равна работе тока.
Если никаких движущихся проводников на участке нет, то увеличивается внутренняя энергия участка цепи.
В однородном проводнике увеличение внутренней энергии означает повышение его температуры.
Действительно, проводник с током нагревается и отдает теплоту окружающим телам.
Проблема: Каким образом это происходит?
Электрическое поле ускоряет электроны. После столкновения с ионами кристаллической решетке они передают ионам свою энергию. В результате энергия хаотического движения около положения равновесия возрастает. Это и означает увеличение внутренней энергии. Температура проводника повышается, и он начинает передавать теплоту окружающим телам. Спустя небольшое время после замыкания цепи процесс устанавливается и температура перестает изменяться со временем.
К проводнику за счет работы электрического поля непрерывно поступает энергия. Но его внутренняя энергия остается неизменной, т.к. проводник передает окружающим телам количество теплоты равное работе тока.
Таким образом, формула A=IU
·t для работы тока определяет в случае однородного проводника количество теплоты, передаваемое проводником другим телам.
б) Сформулируйте закон Ома для участка цепи I=U/R.
Это значение силы тока используется в формуле для работы тока A=IU
·t= (U/R) U
·t =(U2 /R )
·t; A=(U2 /R )
·t.
Выразить напряжение через силу тока, используя также закон Ома для участка цепи и это выражение применим в формуле A=IU
·t; I=U/R U=IR; A= IU
·t A=I2 R
·t.
Необходимо считать, что формулы A=( U2/R)
·t; A= I2R
·t эквивалентны. Формулой A=I2 R
·t удобно пользоваться для последовательного соединения проводников, т.к. сила тока одинаково во всех проводниках.
При параллельном соединении удобна формула A=(U13 EMBED Equation.3 1415/R)
·t, т.к. напряжение на всех проводниках одинаково.
в) Закон определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду был впервые установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем (1818-1889) и русским ученым Э. Х. Ленцем (1804-1861).
Закон Джоуля -Ленца был сформулирован следующим образом: Количество теплоты выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени прохождения тока по проводнику: Q= I2 R
·t.
ВЫВОД: Мы получили этот закон с помощью рассуждений, основанных на законе сохранения энергии. Формула Q=I13 EMBED Equation.3 1415R
·t позволяет вычислить количество теплоты выделяемое на любом участке цепи содержащим какие угодно проводники.
г) Любой электрический прибор (лампа, электродвигатель) рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому наряду с работой тока очень важное значение имеет понятие мощности тока. Мощность тока равна отношению работы тока за время
·t к этому интервалу времени. Р=А/
·t=IU.
Это выражение переписываем в нескольких эквивалентных формах, если использовать закон Ома для участка цепи: Р=IU= I2 R= U2 /R;
Работа, произведенная в единицу времени называется МОЩНОСТЬЮ.
Мощность измеряется прибором ваттметром, единицы измерения называются ваттами.
Кроме Ватта применяются более крупные единицы мощности.
100Вт=1гВт
1000Вт= 1кВт
100000 Вт=1МВт
Для практических измерений электрической работы (энергии) Джоуль является слишком мелкой единицей.
Если время подставить не в секундах, а в часах, то получим более крупные единицы электрической энергии.
A=P
·t
1 Дж = 1 Вт с
1Вт ч= 3600 Вт с=3600 Дж
100 Вт ч=1 г Вт ч
1000Втч=1кВтч
Электрическая энергия измеряется счетчиком электрической энергии.
ВЫВОД: На большинстве приборов указано потребляемая ими мощность. Прохождение по проводнику электрического тока сопровождается выделением на нем энергии.
Эта энергия определяется работой тока: произведением перенесенного заряда и напряжением на концах проводника.
д) Все проводники при прохождении по ним электрического тока нагреваются и отдают тепло окружающей среде (воздуху, жидкости, твердому телу).
Температура проводника будет повышаться до тех пор, пока количество теплоты полученное проводником не станет равным количеству тепла отдаваемому проводником окружающей среде. При этом температура достигает установившегося значения.
Тепло, выделяемое током, используется в электрических печах и аппаратах прямого нагрева для процесса графитизации электродов, стекловаренной промышленности, в штамповочно-ковочном производстве, для нагрева труб, деталей цилиндрической формы.
В технике тегильные и муфельные печи, сушильные печи, шкафы.
Электрические нагревательные приборы получили очень большое распространение в домашнем быту (утюги, кипятильники, обогреватели, кофемолка, электросамовары, миксеры).
Основной частью электроплит, электросамоваров, электрочайников является проводник, в котором выделяется тепло, когда по нему течет ток.
Чаще всего проводник делают в виде спирали, которую укладывают в жаростойкие или огнеупорные основания, например из керамики и асбеста. Материалом для спиралей нагревающихся в воздухе обычно служат никром, т.е. для спиралей электроплит, т.к. спираль электрочайников, электросамоваров опускается в воду, то в этом случае для спиралей используют проволоку из реотана или никеля.
Проблема: Как вы думаете, что произойдет, если пропустить по таким спиралям ток, вынув их из воды?
(Они перегорают, т.к. воздух обладает меньшей теплопроводностью, чем вода, и поэтому воздух не может быстро уводить выделяющееся тепло).
IV. Закрепление материала (20 мин).
При закреплении используется поурочная карта.
Поурочная карта
Тема: Работа и мощность электрического тока.
Закон Джоуля-Леща. Тепловое действие тока.
Основные знания и умения.
Знать и уметь применять в решении задач формулы работы, мощности и закона Джоуля-Ленца.
Уметь рассчитывать стоимость электроэнергии.
Знать назначение и принцип действия плавких предохранителей.
Задание I.
Прочтите следующий текст.
Как известно, все тела состоят из молекул, и эти молекулы не находятся в покое, а непрерывно движутся. Чем выше температура, тем быстрее движение молекул, вещества этого тела.
(При прохождении электрического тока по проводнику электроны сталкиваются с движущимися молекулами проводника и усиливают их движение, что приводит к нагреву проводника.
Повышение температуры проводника происходит в результате преобразования электрической энергии в тепловую.)
Задание П.
Вывести выражение для работы электрического тока.
1. В цепи представленной на рис.1 приложено постоянное напряжение U, за время
·t по цепи протекало количество электричества q. Силы электрического поля, действующие вдоль проводника, перенесли заряд q из точки А в точку В. работа электрических сил поля, или что то же, работа электрического тока может быть посчитана по формуле А = q (
·в -
·а) = q U.
В последнюю формулу поставьте формулу для определения заряда q =I
·t, то получите А = U I
·t.
В данную формулу подставьте значение напряжения согласно закона Ома для участка цепи U =IR, тогда получите формулу А = I2 R
·t - удобно пользоваться при последовательном соединении; А = (U 2/R)
·t - при параллельном соединении. Эти формулы эквивалентны.
Единицы измерения работы - Дж.
1 Дж = 1 Вт с
1 Вт ч = 3600 Ватт секунд = 3600 Дж
100 Вт ч = 1 гектоват час (гВт ч)
1000Вт ч= 1 киловат час (кВт ч)
Рис.1
Задание III.
Ввести формулы для подсчета мощности электрического тока.
Р-мощность электрического тока. Согласно определению Р = A/
·t;
Подставьте в формулы для мощности А = U I
·t, получите Р =( UI
·t)/
·t =U I, Р = U I;
Используя закон Ома для участка цепи выразите напряжение и подставьте в конечную формулу: I = U/R;
U = I R; Р = I U = I I R = I2 R; P = I2 R.
Подставьте закон Ома I = U/R в формулу
Р = UI. Получите Р = U2 /R;
Единицы измерения мощности - Вт. 100 Вт - 1 гектоватт (г Вт); 1000 Вт - 1 киловатт (кВт); 1000000 Вт - 1 мегаватт (мгВт).
Заполните таблицу:
ЗаданиеIV.
Величина
Обозначение
Единицы
измерения
Формулы
Количество электричества
q
Кл
q=I
·t
Сила тока
Напряжение
Работа эл. тока
Мощность
Аналогично для мощности.
Задание V.
Заполните структурно-логическую схему.
формулы для определения работы;
единицы измерения;
график зависимости силы тока от приложенного напряжения;
формула для определения стоимости электроэнергии;
прибор для измерения работы.
Задание VI.
Определите мощность, определяемым электрическим двигателем, если ток в цепи равен 8 А, а двигатель включен в сеть с напряжением 220 В.
Задание VII.
Определите энергию, расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течении 5 ч.
Определить энергию расходуемую электрической плиткой мощностью 600 Вт в течении 5 часов.
Подведение итогов. (4 мин)
Выводы.
VI. Домашнее задание (4 мин)
1) Узнайте и запишите паспортные данные электродвигателя, холодильника, пылесоса, миксера, кофемолки.
2) Зафиксируйте показания счетчика, повторно снимите через два дня. Определите потребляемую энергию и рассчитайте ее стоимостьЗадание VIII.
а) снимите показание счетчика и через 7 дней повторите снятие показаний, затем посчитайте израсходованную энергию вашими бытовыми приборами и стоимость электроэнергии;
б) узнайте и запишите паспортные данные электродвигателя, холодильника, пылесоса, миксера, кофемолки. Что означают эти данные?
счетчик
Z=A (
Дж
A=UI
·t
U
A