Розробка уроку по темі "Нагрівання провідників електричним струмом"

Роль експерименту під час вивчення нової теми. На прикладі уроку по темі:

”Нагрівання провідників електричним струмом” (8 кл).

45342. Волинська область Іваничівський район 

ЗОШ села Павлівка Вчитель фізики Столярчук В.А.

Тема: Нагрівання провідників електричним струмом. Закон ДжоуляЛенца. Лампа розжарення.

Мета: Показати, як можна обчислити, на скільки змінюється внутрішня енергія провідника при проходженні по ньому електричного струму.

Обладнання: джерела струму, лампи розжарення, вимикачі, дротини для дослідів.

Перевірка і активізація опорних понять. (Проводиться за запитаннями до класу).

1.                 Як визначається потужність електричного струму?

2.                 За якою формулою обчислюється робота електричного струму?

3.                 Якими приладами вимірюють потужність? роботу електричного струму? 4. Яких правил ТБ потрібно дотримуватися при складанні електричного кола?

Пояснення нового матеріалу.

Електричний струм нагріває провідник. Це явище пояснюється тим, що електрони рухаючись під дією електричного поля в певному напрямку, внаслідок взаємодії з атомами і молекулами речовини провідника віддають їм частину своєї енергії. Внутрішня енергія провідника збільшується, температура підвищується. Досліди показують, що в нерухомих металевих провідниках уся робота струму витрачається на збільшення їхньої внутрішньої енергії. Нагрітий провідник віддає здобуту енергію навколишнім тілам, але вже внаслідок теплопередачі. Отже, кількість теплоти, що виділяє провідник по якому проходить струм, дорівнює роботі струму. Вперше, на основі дослідів, встановили формулу для обчислення кількості теплоти, що виділяється в провіднику під час проходження електричного струму незалежно один від одного англійський учений Джоуль і російський учений Ленц. Вони встановили що кількість теплоти, яку виділяє провідник із струмом, дорівнює добутку квадрату сили струму, опору провідника й часу. Тому сформульований висновок називають законом Джоуля-Ленца і записують в такому вигляді:  Q = I²Rt.   При застосуванні цього закону потрібно враховувати що теплова дія залежить від сили струму в провіднику, а не від прикладеної до нього напруги. При одній і тій же напрузі сила струму в різних провідниках різна. Потужність що виділяється на провідниках рівна: P = I²R.

Якщо по провідниках проходить однаковий струм то для обчислення потужності користуються формулою (послідовне сполучення) P = I²R.

Якщо струми різні, а напруги на провідниках однакові (паралельне сполучення) то користуються формулою P = U²/R.

Дослід 1. Під’єднуємо до випрямляча ВС-24М, спіраль від демонстраційного спірального реостата. Збільшуючи силу струму демонструємо збільшення розжарення дротини, а значить роботи сили струму. (Параметри досліду: R = 5 Oм, U = 14 B).

Дослід 2. Вмикаючи спіралі з різними опорами послідовно, демонструємо залежність потужності від величини опору (по ступеню почервоніння). (Параметри досліду ВС-24М, U = 20 В, І = 3 А).

ВС-24М 

                                            +            -- 

         1 Ом                       2 Ом                       2 Ом                    5 Ом

Найбільше нагрівається спіраль опором 5 Ом.

Висновок: при однаковій силі струму, провідник нагрівається сильніше той в якого більший опір.

Задача 1. Чи однакова потужність струму в провідниках схема з’єднання яких показана на малюнку.

+          -

R₁ =50 Ом                    R₂ =10 Ом

(Струм в обох провідниках однаковий, сполучення послідовне. P₁=I²R₁, P2=I2R2 ; P1 /P2 = I2R1 /I2R2=R1 /R2 .; Отже P1 =5P2).

Задача 2. Три лампи однакової потужності, розраховані на одну й ту саму напругу, ввімкнено в коло як показано на малюнку. Чи однакове розжарення ниток ламп?

(Струм в лампах 2 і 3 в два рази менший ніж в 1, а отже і розжарення нитки ламп 2 і 3 менше в чотири рази ніж в 1. Вчителю потрібно особливо наголосити, що ступінь розжарення лампи залежить від потужності струму на лампі, власне кількості теплоти яка на ній виділяється. Тому хоча струм в лампах 2 і 3 менший в 2 рази ніж в лампі 1, потужність на них, а отже і розжарення, буде меншим в 4 рази Р~І²).

Для перевірки правильності суджень один із учнів складає електричне коло і демонструє свічення ламп.

Задача 3. Три лампи однакової потужності, розраховані на одну й ту саму напругу, ввімкнено в коло так, як показано на малюнку. Чи однакове розжарення ниток ламп?

                 1

  +

(Струм в лампах 2 і 3 в два рази менший ніж в лампі 1. Отже розжарення ниток ламп 2 і 3 буде меншим ніж в лампи 1).

Вчителю потрібно ще раз наголосити, що лампи однакової потужності споживають однакову потужність лише за рівних умов (якщо сила струму і напруга на них однакова). Номінальна (зазначена на лампі) потужність споживається за умови прикладання до лампи певної (вказаної на лампі) напруги.

Для перевірки суджень учні складають електричне коло і спостерігають свічення ламп.

Демонструємо свічення ламп різного опору (потужності) сполучених паралельно і послідовно, а потім пропонуємо учням пояснити причини відмінностей в свіченні в кожному випадку.

                          1             2                3

   220 В             25 Вт 100 Вт       150 Вт

Сполучення послідовне тому І₁=І₂=І₃ . Величини опорів ламп різні R₁R₂R₃ . (В лампи більшої потужності менший опір). Потужність струму більша в лампі з більшим опором (P = I²R). Тому лампа 1 буде світитись найяскравіше.

1                     2                     3

 220 В        25 Вт            100 Вт           150 Вт                                           

Сполучення паралельне тому І₃І₂І.₁  Напруга на всіх лампах однакова, тому потужність визначають за формулою Р = U²/R . Отже найбільшу потужність споживає лампа 3, а тому і світиться вона найяскравіше.

Задача 4. Спіраль електричної плитки вкоротили. Чи зміниться від цього розжарення спіралі плитки, якщо її ввімкнути в мережу електричного струму тієї ж напруги:?

(Розжарення нитки збільшиться, тому що опір зменшиться. Р = U²/R).

Демонструємо зміну свічення на досліді, перемикаючи частину спіралі плитки.

Задача 5. Чому проводи, що підводять струм до електричної плитки, не розігріваються так сильно, як спіраль в електроплитці?

(Підвідні проводи виготовлені з матеріалу з набагато меншим опором ніж спіраль, тому й потужність струму в них набагато менша, /сполучення підвідних провідників і спіралі послідовне/).

Задача 6. Для чого проводи в місцях з’єднання не просто скручують, а ще й спаюють?

(При спаюванні опір з’єднання буде набагато менший, а отже з’єднання не так сильно буде нагріватись).

Задача 7. У коло ввімкнено два однакові провідники: залізний і мідний послідовно. На якому із них виділиться більша кількість теплоти?

(На залізному виділиться більша кількість теплоти тому що опір заліза більший. Питомий опір речовин знаходимо в таблиці.).

Проводимо дослід: з’єднуємо два однакові провідники з міді і заліза послідовно і під’єднуємо їх до джерела струму. Залізна дротина стає на дотик теплою швидше.

Задача 8. Два однакові провідники із заліза і міді ввімкнули паралельно. На якому із них виділиться більше теплоти?

(На мідному. Опір міді менший а сполучення паралельне Р=U²/R).

Перевіряємо правильність висновків на досліді, за ступенем нагрівання провідників, при пропусканні по них струму.

Задача 9. Яку кількість теплоти виділить за 10 хвилин спіраль з дроту опором 15 Ом, якщо сила струму в колі 2 А?

t  =10 хв        t =10 хв =1060 с=600 с. R =15 Ом      Q =I²Rt.

І  =2 А           Q =2²15600=415600 =60600 =36000 (Дж). Q - ?

Закріплення матеріалу проводимо за запитаннями.

Запитання 1. Іноді, при увімкненій електроплитці або іншому приладі розетка або штепсельна вилка дуже нагрівається. Чому це відбувається?

/Нагрівання відбувається внаслідок великого опору, що виникає при поганому контакті між штирками штепсельної вилки і гніздами розеток. Це спостерігається і при перевантаженні розетки і вилки розрахованих на певний струм (5 Ампер)/.

Запитання 2. Серед різних методів електрозварювання є так званий контактний: зварювальні деталі притискують одну до одної і пропускають через них великий струм. У місці стику деталі плавляться і з’єднуються. В чому причина нагріву стику?

//Через слабкий контакт деталей місце дотику буде мати великий опір, а значить на ньому буде виділятись значна кількість тепла, це й призводить до зварювання деталей/.

Запитання 3. Якщо увімкнути електрочайник в мережу, не наливши в нього води, його нагрівальний елемент швидко перегорить. Чому так відбувається?

/Тому що при цьому тепловіддача спіралі значно зменшується, що призводить до її перегріву і перегоряння/.

Запитання 4. Чому спіраль електроплитки при довготривалому розжаренні не плавиться?

/Спіраль виготовляють такою щоб встановлювалась теплова рівновага, тепло що виділяється струмом за рахунок теплопередачі виділяється в навколишнє середовище. А для плавлення потрібне надлишкове надходження тепла/.

Запитання 5. Чому коли подути на розжарену спіраль електричної плитки, вона темніє?

/Збільшується тепловіддача в навколишнє середовище, температура зменшується і спіраль не так сильно нагрівається/.

Вчитель проводить узагальнення матеріалу. Вказує на опорні поняття, відмічає типові помилки учнів під час відповідей, виставляє оцінки.

Завдання додому. Відповідний параграф підручника і вправа після нього.

Література.

1. В.І.Лукашик. Збірник запитань і задач з фізики 7 – 8. Київ. “Радянська школа”. 1991. 2. О.В.Пьоришкін, Н.О.Родіна. Фізика 8. Київ. “Радянська школа”.

1990.

3.    Коршак Є.В. Фізика 8. Київ. Ірпінь. ВТФ. “Перун”. 2005.

4.    А.В.Перышкин, Н.О.Родина. Преподавание фызики в 6 – 7 классах.

Москва. Просвещение. 1985.