Тема: Нагревание проводников электрическим током. Закон

Тема: Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца.
Цели и задачи:
1. Формировать представление о целостной, физической картине всего окружающего.
2. Способствовать формированию теоретического мышления учащихся.
3. Показать связь практических и теоретических знаний.
4. Показать связь физики с окружающей нас действительностью.
5. Показать связь и зависимость физических величин в определяющих формулах.
6. Способствовать развитию устойчивого познавательного интереса к физике как науке.
Наглядные пособия: плакат с начерченной схемой установки, с помощью которой можно
на опыте проверить закон Джоуля-Ленца.
Содержание урока
Методы и приемы
1. Орг.момент – 2 мин.
2. Повторение пройденных тем – 10 мин.
Вопросы, беседа
3. Объяснение нового материала – 20 мин. Беседа, рассказ, нагл-е пособие
4. Задание на дом – 2 мин.
5. Закрепление нового материала и
Беседа, вопросы, решение задач
решение задач – 11 мин.
2. Вопросы:
1. Что называют мощностью? (Р = А/t)
2. Как зависят друг от друга физические величины в формуле мощности? (прям. завис-ть)
3. Как зависит работа тока на участке цепи от напряжения и кол-ва эл-ва, прошедшего
через этот участок? (А = Uq)
4. Как выразить работу тока через напряжение, силу тока и время? (I = q/t; q = It; A = UIt)
5. Как можно выразить 1 Дж через другие единицы? (1 Дж = 1 В ∙ 1 А ∙ 1 с)
6. Какими приборами можно измерить работу эл. тока? (амперметр, вольтметр, часы,
счетчик)
7. Как выражается мощность эл-го тока через напряжение и силу тока? (P = UI)
8. Что принимают за единицу мощности? (1 Ватт)
9. Как выражается единица мощности через единицы напряжения и силы
тока?(1Вт=1В∙1А)
10. Какие единицы мощности используются на практике? (1 гВт; 1 кВт; 1МВт)
11. Когда совершается работа электрического тока? (когда происходит превращение эл-го
тока в какой-нибудь другой вид энергии)
3. тему записать на доске.
Свободные электроны в металлах и ионы в электролитах, двигаясь под действием
эл-го поля, взаимодействуют с молекулами и атомами вещ-ва проводника и передают им
часть энергии, которую они приобрели в результате действия на них электрического поля.
Так как средняя кинетическая энергия увеличивается, то увеличивается и внутренняя
энергия проводника, от этого и происходит нагревание.
Мерой изменения внутренней энергии тела является количество выделяющейся теплоты.
Значит, количество теплоты, выделяющейся в проводнике, равно работе тока. Мы знаем,
что работу эл. тока рассчитывают по формуле: A = IUt, где……… Обозначим кол-во
теплоты буквой Q. Следовательно Q = A или Q = UIt. Q в этой формуле выражается как и
работа в Дж. Пользуясь законом Ома, можно выразить Q, выделяющееся на участке цепи
при работе тока, через силу тока, сопротивление участка цепи и время. Для этого заменим
в формуле Q = UIt напряжение U через силу тока I и сопротивление участка цепи R:
U = RI; Q = IRIt => Q = I2Rt
Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально
квадрату тока, проходящего по проводнику, сопротивлению проводника и времени в
течении которого поддерживается постоянный ток в проводнике. Этот закон носит
название закон Джоуля-Ленца, его еще можно выразить формулой: Q = kI2Rt, где k –
тепловой эквивалент работы. Численное значение этой величины зависит от выбора
единиц, в которых производится измерение остальных величин, входящих в формулу.
Если количество теплоты Q измеряется в калориях, ток в амперах, сопротивление в
Омах, время в секундах, то k = 0,24. Это значит, что ток в 1 А выделяет в проводнике,
имеющем сопротивление 10 м, за 1 секунду количество теплоты, равное 0,24 кал. Таким
образом, количество теплоты в калориях, рассчитывается по формуле: Q = 0,24I2Rt. В
системе единиц СИ количество теплоты как и работа измеряется в Джоулях. Поэтому
коэффициент пропорциональности k = 1. В этой системе (которой мы будем пользоваться
и дальше) формула закона Джоуля-Ленца имеет вид: Q = I2Rt.
На основании закона Джоуля-Ленца можно установить, что 1 кал = 4,2 Дж или 1
Дж = 0,24 кал. Для этого нужно количество теплоты, полученное водой при нагревании ее
в калориметре эл-м током, измерить в калориях, а затраченную при этом энергию тока – в
джоулях, и найденные результаты сравнить.
схему повесить на доске.
На этом рисунке показана схема установки, с
помощью которой можно на опыте проверить
закон Джоуля-Ленца. По проволочной спиральке
С, погруженной в жидкость, налитую в калори –
метр, пропускается некоторое время ток. Затем
подсчитывается количество теплоты, выделив –
шейся в калориметре. Сопротивление спиральки
известно заранее, ток измеряется амперметром,
время – секундомером. Меняя ток в цепи и беря
различные спиральки, можно проверить закон Джоуля-Ленца. Формулой Q = I2Rt удобно
пользоваться при расчете количества теплоты, которое выделяется в проводниках при
последовательном соединении, так как в этом случае ток во всех проводниках один и тот
же (I = I1 = I2). Поэтому при последовательном соединении нескольких проводников в
каждом из них выделяется количество теплоты, пропорциональное сопротивлению. Т.е.
чем больше R, тем больше Q и наоборот. Если соединить три проволоки одинаковых
размеров медную, никелиновую и железную – последовательно, то наибольшее кол-во
теплоты будет выд-ся в никелиновой, так как удельное сопротивление ее наибольшее, она
сильнее и нагревается. Теперь рассмотрим параллельное соединение.
На основании закона Ома I = U/R, подставляя значение тока в закон Джоуля-Ленца
Q = I2Rt, получим новое выражение для закона Джоуля-Ленца.
(*) Q = U2t/R, т. е.
Q = U2/R ∙ Rt = tU2/R
При параллельном соединении проводников ток в них различен, но напряжение на
концах цепи одно и то же. И поэтому расчет кол-ва теплоты при таком соединении
удобнее вести по формуле (*). Эта формула показывает, что при параллельном соединении
в каждом проводнике выделяется кол-во теплоты, обратно пропорциональное
сопротивлению, то есть чем больше R, тем меньше Q.
Если соединить три одинаковой толщины проволоки – медную, железную и
никелиновую – параллельно между собой и пропустить через них ток, то наибольшее колво теплоты выд-ся в медной проволоке, она и нагреется сильнее остальных.
4. Д/з § 53 вопросы после §-а.
5. Вопросы:
1. Спираль эл-ой плитки укоротили. Изменится ли от этого и как накал плитки, если ее
включить в сеть эл. тока? (накал будет больше)
2. Полюсы элемента соединены последовательно с двумя проволоками – медной и
железной – одинаковой длины и одинакового сечения. Какая из проволок при замыкании
цепи больше нагреется? (железная, т.к. ρж = 0,1 Ом∙мм2/м, а ρм = 0,017 Ом∙мм2/м, а 0,1 >
0,017, а при послед-ом соединении – чем больше R, тем больше Q)
3. В каком из трех сопротивлений при протекании тока выделяется большее кол-во
теплоты?
Соединение параллельное. R1,2 = 30 Ом, а R3 = 60 Ом, значит в
в первом сопротивлении R1 выделяется большего всего кол-во
теплоты, так как чем больше R, тем меньше Q, а 10 < 20 и
10 < 60.
4. Как формулируется закон Джоуля-Ленца? (Q = I2Rt)
5. № 1832 (Лукашик)
Определите кол-во теплоты, выделяемое эл-м чайником за 15 мин, если он при включении
в сеть с напряжением 220 В потребляет ток 2 А?
t = 15 мин = 900 с Q = I2Rt; R = U/I
U = 220 В
Q = I2Ut/I = IUt
I=2А
Q = 2 А ∙ 220 В ∙ 900 с = 396000 Дж = 396 кДж
Q-?
6. № 1833 (Лукашик)
Сколько энергии выделит за 10 мин спираль сопротивлением 15 Ом питаемая током 2 А?
t = 10 мин = 600 с Q = I2Rt;
R = 15 Ом
Q = (2 А)2 ∙ 15 Ом ∙ 600 с = 3600 Дж
I=2А
36000 Дж ∙ 0,24 ≈ 9000 кал ≈ 9 ккал
Q-?
В конце урока собрать тетради.
Литература:
1. «Физика 6 -7 кл.» А. В. Перышкин. М. «Просвещение - 80»
2. А. В. Перышкин «Курс физики. Часть 3». «Просвещение» М – 70 г.
3. «Преподавание физики в 6 – 7 кл. средней школы». «Просвещение» М – 79 г.
4. В.И.Лукашик «Сборник вопросов и задач по физике». «Просвещение» М – 70 г.