Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля-Ленца - Электрические явления

Цели: ознакомить учащихся с законом Джоуля-Ленца; показать универсальность закона сохранения и превращения энергии.

Демонстрации: нагревание проводников из разных веществ электрическим током; устройство и принцип действия электронагревательных приборов.

Ход урока

I. Проверка знаний

Первые 10-15 минут урока целесообразно посвятить проверке усвоения материала по теме «Работа и мощность электрического тока». С этой целью можно провести тестирование или письменную проверочную работу по индивидуальным карточкам. Для карточек можно предложить следующие варианты разноуровневых заданий:

Уровень 1

1. Напряжение на концах электрической цепи 1 В. Какую работу совершит в ней электрический ток в течение 1 с при силе тока 1 А?

2. 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?

Уровень 2

1. По проводнику, к концам которого приложено напряжение 5 В, прошло 100 Кл электричества. Определите работу тока.

2. Электрическая лампочка включена в цепь с напряжением 10 В. Током была совершена работа 150 Дж. Какое количество электричества прошло через нить накала лампочки?

Уровень 3

1. Какую работу совершит ток силой 3 А за 10 мин при напряжении в цепи 15 В?

2. К источнику тока напряжением 120 В поочередно присоединяли на одно и то же время проводники сопротивлением 20 Ом и 40 Ом. В каком случае работа электрического тока была меньше и во сколько раз?

Уровень 4

1. Башенный кран равномерно поднимает груз массой 0,5 т на высоту 30 м за 2 мин. Сила тока в электродвигателе равна 16,5 А при напряжении 220 В. Определите КПД электродвигателя крана.

2. Транспортер поднимает за время 1 мин груз массой 300 кг на высоту 8 м. КПД транспортера 60%. Определите силу тока через электродвигатель транспортера, если напряжение в сети 380 В.

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Тепловое действие электрического тока.

2. Закон Джоуля-Ленца.

1. При введении понятия работы электрического тока мы уже пользовались тепловым действием тока (нагревание проводников). Собираем электрическую цепь, в которую последовательно включаем лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем демонстрационные амперметр и вольтметр.

Учащимся уже известно, что в проводнике при протекании тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю, и проводник нагревается.

- Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?

Они неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах. На опыте с лампой накаливания учащиеся убедились, что накал лампы возрастал при увеличении тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

Полезно поставить опыт, показывающий тепловое действие тока в цепочке, состоящей из трех последовательно соединенных проводников разного сопротивления: медного, стального и никелинового. Ток во всех последовательно соединенных проводниках одинаков. Количество же выделяющейся теплоты в проводниках разное. Из опыта делается вывод:

Нагревание проводников зависит от их сопротивления. Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.

- Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

- Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?

2. Закон Джоуля-Ленца. Учащиеся знают уже формулу для работы А = UIt. Кроме того, им известно, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, то есть на то, чтобы увеличить их внутреннюю энергию. Следовательно, количество теплоты

Q = А = UIt.

Из закона Ома для участка цепи U = IR. Если это учесть, то Q = I²Rt.

Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.

Необходимо заметить, что формулы вообще говоря, не идентичны. Дело в том, что первая формула всегда определяет превращение электрической энергии во внутреннюю, то есть количество теплоты. По другим формулам в общем случае определяют расход электрической энергии, идущей как на нагревание, так и на совершение механической работы. Для неподвижных проводников эти формулы совпадают.

III. Закрепление изученного

С целью закрепления изученного материала можно в конце урока коллективно обсудить решения нескольких задач:

- Две проволоки одинаковой длины и сечения - железная и медная - соединены параллельно. В какой из них выделится большее количество теплоты?

- Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество выделяемой в ней теплоты, если плитку включить в то же напряжение?

- Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике сопротивлением 10 Ом при силе тока 2 А?

- Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин работы?

Домашнее задание

1. § 53 учебника; вопросы к параграфу.

2. Выполнить задания из упражнения 27 (учебник, с. 125).

3. Желающие учащиеся могут подготовить к следующему уроку доклады учащихся по темам:

«Первое электрическое освещение свечами П. Н. Яблочкова».

«Лампы накаливания и история их изобретения».

«Использование теплового действия тока в промышленности и сельском хозяйстве».

Дополнительный материал

Джеймс Преснот Джоуль

(1818-1889)

Родился Джоуль в Манчестере 24 декабря 1818 года, по профессии был пивоваром. Первые работы Джоуля в физике связаны с изобретением электромагнитных аппаратов, которые были ярким примером превращаемости физических сил. Джоуль был прекрасным экспериментатором. Исследуя законы выделения теплоты электрическим током, он понял, что опыты с гальваническими источниками не дают Возможности ответить на вопрос, какой вклад в нагрев проводника вносит переносимая теплота химических реакций, а какой сам ток.

В результате многочисленных опытов, Джоуль пришел к выводу, что теплоту можно получать с помощью механических сил.

В 1843 г. Джоуль нашел механический эквивалент теплоты. Эту величину впоследствии он определял различными способами. Опыты Джоуля просты по идее, но в каждом из них можно найти какую-нибудь экспериментальную тонкость. Например, в последнем, о котором шла речь, для предотвращения движения всей массы воды к боковым стенкам калориметра в радиальном направлении были прикреплены четыре ряда пластинок; в целях теплоизоляции металлическая ось разделена на две части деревянным цилиндром.

Джоуль внес большой вклад в кинетическую теорию газов, открыв вместе с Томсоном эффект изменения температуры газа при его расширении (Эффект Джоуля-Томсона). Из работ Джоуля непосредственно следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. Все это, несомненно, способствовало утверждению и признанию закона сохранения и превращения энергии, открытие которого явилось величайшим завоеванием науки XIX века.

Значение этого закона для науки трудно переоценить.

На основе законов сохранения, и, в частности, закона сохранения и превращения энергии, в науке и технике производятся различные расчеты, предсказываются новые эффекты и явления, с материалистических позиций оцениваются открытия. Если, скажем, новая теория или проект новой установки не противоречат закону сохранения и превращения энергии, то это служит убедительным аргументом в их пользу.