ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Электрическое поле. Электрический ток

УРОК 6/6

Тема. Работа и мощность тока

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

Тип урока: урок изучения нового материала.

ПЛАН УРОКА

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 Δq. Тогда электрическое поле выполнит работу А = ΔqU. Поскольку Δq = IΔt, эта работа равна:

А = IUΔt.

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:

2. Закон Джоуля-Ленца

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: И1 = 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: U1 = U2 = 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).

ВОПРОС К УЧАЩИМСЯ В ХОДЕ ИЗЛОЖЕНИЯ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Первый уровень

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?

Второй уровень

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). Качественные вопросы

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?

Решение

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?

Решение

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?

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:

A = UIt.

· 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:

Р = UI.

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

Домашнее задание

1. Подр.: § 6.

2. 3б.:

Рів1 № 5.10; 5.11; 5.13; 5.16.

Рів2 № 5.24; 5.26; 5.27, 5.30.

Рів3 № 5.32, 5.33; 5.52; 5.53.