Sibprompost.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Работа мощность тока количество теплоты в проводнике

Работа мощность тока количество теплоты в проводнике

Тема. Работа и мощность тока

Цель урока: выяснить, какие превращения происходят в проводнике, через который протекает электрический ток.

Тип урока: урок изучения нового материала.

1. Электрический ток. Сила тока.

2. Действие электрического тока.

3. Потенциал и разность потенциалов

Изучение нового материала

1. Работа электрического тока.

2. Закон Джоуля-Ленца.

3. Мощность электрического тока

Закрепление изученного материала

1. Качественные вопросы.

2. Учимся решать задачи

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Работа электрического тока

Как известно, работа характеризует изменение энергии или преобразования одного вида энергии в другой.

Работа электрического тока также характеризует процесс преобразования энергии одного вида (энергии электрического поля в энергию другого вида (внутреннюю энергию тел, в механическую и другие виды энергии).

Рассмотрим произвольную участок круга, например, нить накала электрической лампы. Пусть за время ∆ t через поперечное сечение проводника проходит заряд Δ q . Тогда электрическое поле выполнит работу А = Δ qU . Поскольку Δ q = IΔt , эта работа равна:

Ø За единицу работы электрического тока принят джоуль. Джоуль равен работе, которую выполняет электрический ток силой 1А при напряжении 1 В в течение 1 с:

Если единственным действием тока является тепловая, то, согласно закону сохранения энергии, количество теплоты, выделившейся в проводнике, численно равно работе тока: Q = A . Следовательно, Q = IUt .

Используя закон Ома для участка цепи, можно записать три эквивалентные формулы для количества теплоты, выделившейся в проводнике с током:

Закон, определяющий количество теплоты, которое выделяет проводник с током в окружающую среду, был установлен экспериментально английским ученым Д. Джоулем и русским ученым Е. X. Ленцем:

Ø количество теплоты, выделившейся в проводнике, равно произведению квадрата силы тока на сопротивление проводника и времени прохождения тока:

Формулы и для количества теплоты, выделившейся в проводнике, могут показаться противоречивыми: согласно первой из них количество теплоты прямо пропорциональна сопротивлению проводника, а согласно второй — обратно пропорциональна.

Чтобы разобраться в этом, сравним количества теплоты, которая выделяется в двух проводниках при их последовательного и параллельного соединения.

Если проводники соединены последовательно, сила тока в них одинакова: И 1 = И2 = И. Поэтому для сравнения количества теплоты, выделяющееся в проводниках, удобнее пользоваться формулой Получаем:

Ø Таким образом, за последовательного соединения проводников большее количество теплоты выделяется в проводнике, имеет большее сопротивление.

Если проводники соединены параллельно, напряжение на их концах одинакова: U 1 = U 2 = U . Поэтому для сравнения количества теплоты, выделяющееся в проводниках, удобнее пользоваться формулой . Получаем:

Ø Таким образом, за параллельного соединения проводников большее количество теплоты выделяется в проводнике, имеет меньшее сопротивление.

3. Мощность электрического тока

Любой электрический прибор рассчитан на потребление определенной энергии в единицу времени. Поэтому, кроме работы тока, важное значение имеет понятие мощности тока.

Ø тока Мощностью P называется отношение работы тока А к промежутку времени t , в течение которого эта работа была выполнена:

Поскольку A = IUt , получаем P = IU . Используя закон Ома для участка цепи, можно записать три эквивалентные формулы для мощности:

Ø Мощность тока, как и любая мощность, измеряется в системе СИ в ваттах (Вт). Мощность равна 1 Вт, если за 1 с совершается работа 1 Дж.

Любой электрический прибор характеризуется потребляемой им мощностью, которую часто называют мощностью этого прибора (обычно ее указывают на приборе).

Читайте так же:
Формула для теплоты через силу тока

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

1. Какие наблюдения показывают, что электрический ток может выполнить работу?

2. Какие преобразования энергии происходят во внешнем участке электрической цепи?

3. Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?

4. Какие свойства должен иметь металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

5. Что понимают под механической мощностью?

6. Какими приборами и как можно измерить мощность электрического тока на определенном участке цепи?

1. На каком из двух параллельно соединенных проводников выделяется большая мощность? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ.

2. На каком из двух последовательно соединенных проводников выделяется большая мощность? Приведите примеры, подтверждающие ваш ответ.

3. При каких условиях работа тока в проводнике равна количеству теплоты, выделяющейся при этом в проводнике?

4. В любом случае количество теплоты, выделившейся в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника, а в каком случае — прямо пропорционально?

ЗАКРЕПЛЕНИЕ ИЗУЧЕННОГО МАТЕРИАЛА

1. Одна электрическая лампа включена в сеть напряжением 127 В, а другая — в сеть напряжением 220 В. В какой лампе при прохождении 1 Кл совершается большая работа?

2. В любом случае количество теплоты, выделившейся в проводнике обратно пропорциональна сопротивлению проводника, а в каком случае — прямо пропорциональная?

3. Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество теплоты, что в ней выделяется, если плитку включить на ту же напряжение?

4. Два провода одинаковой длины и сечений — железный и медный — соединены последовательно. В каком из них выделится большее количество теплоты?

5. Два провода одинаковой длины и сечений — железный и медный — соединены параллельно. В каком из них выделится большее количество теплоты?

2 ) . Учимся решать задачи

1. На первой лампе накаливания указана мощность 100 Вт, а на второй — 25 Вт. Какие опоры этих ламп в рабочем состоянии?

Как мы уже знаем, все электрические приборы в квартире включены параллельно, поэтому на всех них одинаковое напряжение. Согласно стандарту она равна 220 В. Получается, для установки сопротивлений этих ламп (в рабочем состоянии) следует пользоваться формулой откуда

Подставив числовые значения величин и проверив единицы измерения, мы получим:

2. Во сколько раз сопротивление нагревательного элемента электрочайника больше сопротивление медного провода, соединяющего чайник с розеткой? Возьмите во внимание, что мощность чайника 2 кВт, площадь поперечного сечения провода 1 мм2, а его длина 1 м?

Для нахождения сопротивления нагревательного элемента электрочайника используем формулу Подставив числовые значения и проверив единицы величин, получаем

Для нахождения сопротивления провода следует учесть, что общая длина двух проводов, которые соединяют чайник с розеткой, равна 2 м, и воспользоваться формулой где ρ — удельное сопротивление меди. Подставив числовые значения и проверив единицы величин, получаем:

Сравнивая найденные опоры, мы видим, что сопротивление нагревательного элемента электрочайника более чем в 700 раз превышает сопротивление проводов.

3. Из какого материала изготовлена спираль нагревательного элемента, мощность которого 480 Вт, если его длина равна 16 м, сечение 0,24 мм2 и напряжение в сети 120 В?

4. Две лампы мощностью 40 и 60 Вт, рассчитанные на одинаковое напряжение, включены в сеть с тем же напряжением последовательно. Какие мощности они потребляют?

Читайте так же:
Как избавиться количество теплоты выделяемое проводником с током

ЧТО МЫ УЗНАЛИ НА УРОКЕ

· Работа тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке на силу тока в ней и на промежуток времени, в течение которого протекает ток:

· 1 Дж равен работе, которую выполняет электрический ток силой 1 А при напряжении 1 В в течение 1 с.

· Закон Джоуля-Ленца: количество теплоты, которое выделяет проводник с током, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения через него тока:

· Мощность тока на участке цепи равна произведению напряжения на этом участке на силу тока:

· За единицу мощности в системе СИ принят ватт (Вт):

Работа тока. Закон Джоуля — Ленца 1073

Работу сил электрического поля по перемещению заряженных частиц, т.е. созданию электрического тока, называют работой тока. Работа электрического поля по перемещению заряда

Если за время dt через поперечное сечение проводника сопротивлением R проходит заряд dq, то с учетом (5.1) и закона Ома (5.8) выражение для работы электрического тока примет вид

. (5.15)

Мощность электрического тока P равна отношению работы тока А ко времени, за которое работа совершена. С учетом (5.15) получим

. (5.16)

Если на участке цепи под действием электрического поля не совершается механическая работа и не происходят химиче- ские превращения веществ, то работа электрического поля приводит только к нагреванию проводника. При этом работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяемому проводником с током

. (5.17)

Количество теплоты, выделившееся за конечный промежуток времени t, можно рассчитать по формуле

. (5.18)

В частности, если I = const, то

Q = I 2 R t. (5.19)

Соотношения (5.17- 5.19) носят название закона Джоуля- Ленца.

Полная электрическая цепь состоит из источника ЭДС с внутренним сопротивлением r и внешнего сопротивления R (рис.5.9).

Общее количество теплоты, выделяющейся в полной цепи при протекании постоянного тока, равно

dQполн=I 2 Rdt+I 2 rdt=I 2 (R+r)dt. (5.20)

Если под действием электрического тока не совершается механическая работа и не происходят химические превраще- ния веществ, то работа электрического тока равна количеству теплоты, выделяе- мому проводником с током в электрической цепи

Тогда с учетом соотношений (5.4), (5.1) и (5.20) найдем

Ix = I 2 (R+r) ,

или . (5.21)

Полученное выражение называется законом Ома для полной цепи.

От формулы (5.20), определяющей тепло, выделяемое во всей цепи, можно перейти к выражению, характеризую -щему выделение тепла в различных местах проводника. Для этого выделим в проводнике, как это было сделано при выводе закона Ома, элементарный объем в виде цилиндра (рис.5.4). Согласно закону Джоуля — Ленца за время dt в этом объеме выделится тепло

dQ = I 2 Rdt = r ( j . dS) 2 dt = r j 2 dV . dt,

где dV = dS . dl – величина элементарного объема.

Количество тепла dQ, выделяемого за единицу времени в единице объема, называют удельной тепловой мощностью токаw.

.

Используя соотношения j = sE и s = 1/r, получим закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме:

. (5.22)

Урок по теме «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца»

Цели урока: организовать деятельность обучающихся по восприятию, осмыслению и первичному запоминанию закона Джоуля-Ленца, фактов: причины нагревания проводников электрическим током,

способствовать формированию умений решать задачи на применение закона Джоуля-Ленца, объяснять физические явления на основе закона Джоуля-Ленца,

совершенствовать вычислительные навыки, навык преобразования формул, навык перевода единиц физических величин в СИ,

применить дифференцированный подход в обучении,

Читайте так же:
Количество теплоты электрического тока задачи

создать условия для развития мышления, внимания, памяти, познавательного интереса, грамотной речи,

воспитывать культуру общения

I . Организационный этап.

II . Этап подготовки к активной деятельности на основном этапе:

1.Решение задач в группах (первые две задачи на «3», остальные три на «4» и «5»).

1. Напряжение в осветительной сети 220 В. Сопротивление спирали 20 Ом. Найти силу тока. (11 А).

2. Сила тока в электрической лампе 11 А.Напряжение равно 55 В. Вычислить её сопротивление. (5 Ом)

3. Две лампы сопротивлением 5 Ом и 7 Ом включены последовательно в цепь, сила тока в которой 4 А. Найдите напряжение на каждой лампе и общее напряжение.( U ₁ = 20 В U ₂ = 28 В U = 48 В).

4. Электрический двигатель в течение 2 мин совершает работу 17,28 кДж. Напряжение в цепи 48 В . Вычислить мощность двигателя и силу тока в цепи.( 144 Вт, 3 А).

5. В электрическую цепь включены параллельно две спирали. Их общее сопротивление 4 Ом. Сила тока, проходящего через первую спираль 3 А, через вторую 5 А. Найдите мощность тока.(256 Вт).

2.Фронтальная беседа по вопросам:

1. Дайте определение электрического тока

2. Что представляет собой электрический ток в металлах?

3.Что представляет собой электрический ток в растворах и расплавах электролитов?

4. Какие действия оказывает электрический ток?

5. В чем заключается тепловое действие тока?

III . Этап изучения нового материала.

1. Постановка цели урока.

Давайте попытаемся сформулировать цели урока, т. е. на какие вопросы мы должны сегодня ответить. проводников электрическим током сначала на примере металлов.

Какое строение имеют металлы? ( В узлах кристаллической решетки расположены положительные ионы, а в пространстве между ними движутся свободные электроны.)

Что представляет собой электрический ток в металлах? (Упорядоченное движение свободных электронов).

Что происходит при движении свободных электронов? (Они взаимодействуют с узлами (ионами) кристаллической решетки)

Что происходит в результате этого взаимодействия? (Свободные электроны передают свою энергию ионам кристаллической решетки)

В результате внутренняя энергия проводника увеличивается. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающим телам.

Аналогично объясняется нагревание и других проводников: растворов кислот, щелочей и солей при прохождении тока. Ионы, перемещаясь под действием электрического поля, взаимодействуют с атомами или ионами проводника и передают свою энергию. В результате работы тока внутренняя энергия проводника увеличивается.

3. Изучение закона Джоуля-Ленца.

В неподвижных проводниках вся работа тока идет на увеличение их внутренней энергии. Значит, количество теплоты, выделяемое проводником, равно работе тока.

По какой формуле рассчитывается работа тока? (А= IUt )

Так как Q = A , то Q = IUt .

Выразите напряжение из закона Ома. ( U = IR )

Подставим значение напряжения в формулу работы тока. ( Q = I * IR * Rt = I 2 Rt ) Полученная формула называется законом Джоуля-Ленца и позволяет рассчитать количество теплоты, выделяемое проводником с током.

Давайте попытаемся сформулировать этот закон.

Закон был установлен экспериментально независимо друг от друга английским ученым Д. Джоулем и русским ученым Э. Ленцем. Поэтому он носит двойное название: закон Джоуля-Ленца.

4.Историческая минутка.

Сообщение обучающегося о Д. Джоуле и Э.Ленце

5.Применение теплового действия тока

Сообщение обучающегося о применении теплового действия тока

IV . Этап применения знаний :

Устные упражнения: а) Как изменится количество теплоты, выделяемое проводником с током, при увеличении силы тока в 2 раза? (Увеличится в 4 раза)

б) Два проводника: медный и железный равной длины и сечения включены в цепь с одной и той же силой тока. В каком проводнике: медном или железном выделится большее количество теплоты? (В железном, так как удельное сопротивление железа больше, чем у меди, а количество теплоты, выделяемое проводником, прямо пропорционально сопротивлению проводника, которое, в свою очередь, прямо пропорционально удельному электрическому сопротивлению)

Читайте так же:
Регулировка тока теплового расцепителя

2. Фронтальное решение.

1.В спирали электроплитки сопротивлением 80 Ом сила тока 2 А. Сколько времени была включена в сеть плитка, если в ней выделилось 320 кДж тепла?

Решение: Q = I 2 Rt . t = t =

2.Какое количество теплоты выделится в железном проводнике длиной 10 см и сечением 0,1 мм 2 за 1 минуту при силе тока 2 А?

Решение. Q = I 2 Rt R = Q = I 2 t , Q = 4 А² 0,1Ом мм²/м 0,1/0,1 мм² *60 с = 24 Дж

3. В электрокипятильнике емкостью 5 л с КПД 70% вода нагревается от 10 до 100 градусов Цельсия за 20 минут. Какой силы ток проходит по спирали электрокипятильника, если напряжение в сети 220 В?

А п = с m ( t 2 — t 1 ) m = V A п = с V ( t 2 — t 1 )

V . Подведение итогов урока.

Какова причина нагревания проводника электрическим током?

Презентация по теме: «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца»

Просмотр содержимого документа
«Презентация по теме: «Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца»»

Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца

Актуализация знаний.

  • 1. Какую работу совершит ток силой 5 А за 2 с при напряжении в цепи 10 В?
  • 2. Какие три величины связывают закон Ома?
  • 3. Как формулируется закон Ома?
  • 4. Что представляет собой электрический ток в металлах?
  • 5. Какова зависимость силы тока от напряжения?
  • 6. Как выразить работу тока за некоторое время?
  • 7. Как рассчитать мощность электрического тока?
  • 8. При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока?

1. Какую работу совершит ток силой 5 А за 2 с при напряжении в цепи 10 В?

2. Какие три величины связывают закон Ома?

(I, U, R; сила тока, напряжение, сопротивление.)

3. Как формулируется закон Ома?

(Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.)

4. Что представляет собой электрический ток в металлах?

(Эл-ий Ток в металлах представляет собой упорядоченное движение свободных электронов )

5. Какова зависимость силы тока от напряжения?

( Во сколько раз увеличивается напряжение в цепи, во столько же раз увеличивается и сила тока)

6. Как выразить работу тока за некоторое время?

7. Как рассчитать мощность электрического тока?

8. При каком соединении все потребители находятся при одной и той же силе тока?

(При последовательном соединении)

Почему же проводники нагреваются?

Рассмотрим на примере движении одного электрона по проводнику

Электрический ток в металлическом проводнике – это упорядоченное движение

электронов. Провод — это кристалл из ионов, поэтому электронам приходится «течь»

между ионами, постоянно наталкиваясь на них. При этом часть кинетической энергии электроны передают ионам , заставляя их колебаться сильнее. Кинетическая энергия

ионов увеличивается, следовательно увеличивается внутренняя энергия проводника ,

и следовательно его температура. А это и значит что, проводник нагревается

От каких величин зависит нагревание проводника?

Многочисленные опыты показывают, что чем больше сила тока в проводнике тем и количество теплоты выделившееся в проводнике будет больше. Значит нагревание проводника зависит от силы тока (I).

Читайте так же:
Максимальный ток генератора тепловоза тэм 2

Но не только сила тока отвечает за то, что выделяется большое количество теплоты.

Был проведен эксперимент.

I 1 =I 2 =I 3

Q 1 ≠Q 2 ≠Q 3

Следовательно количество теплоты зависит не только от силы тока, но и от того, из какого вещества изготовлен проводник. Точнее — от электрического сопротивления проводника (R)

Удельное сопротивление

Нагрев проводника

Ом мм 2

Чтобы проводник нагревался сильнее,

он должен обладать большим удельным сопротивлением

Сделаем вывод

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока, прямо пропорционально сопротивлению R проводника, квадрату силы тока I и времени t, в течение которого поддерживается ток в проводнике. Этот закон, носящий название закона Джоуля – Ленца, можно выразить следующей формулой:

Q=I 2 Rt

Q – количество теплоты — [Дж]

I – сила тока – [A]

R – сопротивление – [Ом]

t – время – [c]

Количество теплоты электрического тока равно работе электрического тока.

Решим задачу

Определить количество теплоты, выделяемое проводником, сопротивление которого 35 Ом, в течении 5 минут. Сила тока в проводнике 5 А.

Q=I 2 Rt

Q= (5A) 2 . 35 Ом . 300 с = 262500Дж =

Ответ: Q=262,5 кДж

  • Задача №2
  • Известно, что безопасным для человека является постоянный ток 100 мкА. Какое количество теплоты выделится за 1 мин в теле человека при прохождении тока от конца одной руки до конца другой руки (при сухой коже), если сопротивление этого участка равно 15000 Ом?
  • Как называют единицу работы электрического тока: А. Ампер (А); Б. Ом (Ом); В. Ньютон (Н);

У. Джоуль (Дж); Д. Вольт (В);

1. Как называют единицу мощности электрического тока: А. Джоуль (Дж); У. Ватт (Вт); В. Ом (Ом); Г. Вольт (В); Д. Ампер (А);

2. Необходимо измерить силу тока в лампе и напряжение на ней. Как следует включить к лампе амперметр и вольтметр: А. A и V последовательно; Б. A и V параллельно; С. А послед.V паралл.; Г. А паралл. V последов;

2. Для измерения силы тока в лампе и напряжения на ней в цепь включают амперметр и вольтметр. Какой из этих приборов должен быть включен параллельно лампе: А. Только А; Б. А и V; С. Только V;

3. Определите работу эл. тока на участке цепи за 5 с. При напряжении 10 В и силе тока 2 А: К. 10 Дж; Л. 20 Дж; П. 100 Дж; Р. 500 Дж.

3. Найдите мощность тока в лампе, при напряжении 20 В и силе тока 5А О. 10 Вт; П. 100 Вт; Л. 50 Вт; Ж. 20 Вт.

4. Сопротивление спирали 4 Ом, сила тока в ней 2 А. Какова мощность эл. тока: С. 100 Вт; Д. 80 Вт; Е. 160 Вт; З. 120 Вт.

Напряжение на концах проводника 6 В, его сопротивление 3 Ом. Чему равна работа тока за10 с.: Е. 120 Дж; Ж. 100 Дж; З. 20 Дж; И. 60 Дж.

5. Какими приборами измеряют работу эл. тока: Ф. Амперметром; Ц. Вольтметром; Ч. Ваттметром; Х. Электрическими счетчиками.

5. Каким прибором измеряют мощность эл. тока: Ч. Амперметром; Р. Вольтметром; Х. Ваттметром; Л. Электрическими счетчиками.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector