Робота та потужність струму

  Тема уроку : Робота та потужність струму. Закон Джоуля - Ленца.

Те що ми знаємо –  обмежено, а те чого не знаємо – безмежне. Теж пірнайте в цю безмежність і збагачуйтеся знаннями.

                                                                                        ( Пієр Лаплас) 

Ситуація: чи будете ви господарем власного будинку, приватним підприємцем, власником фірми? Вміння, що ви отримаєте сьогодні матимуть практичну цінність. Бо, чи можете ви собі уявити своє життя без електричної енергії? Ні, але ж за використану електроенергію всі сплачуюють. Яким чином передбачити ці витрати з бюджету? Що необхідно зробити для раціонального використання електроенергії?

         

« Не шукаймо чудес. Їх нема. Шукаймо знання. Воно -  є. »

                                                                                       Індійський мудрець

                       1. Робота електричного струму

Як відомо, робота характеризує зміну енергії або перетворення одного виду енергії на інший.

Робота  електричного струму  також характеризує процес перетворення енергії одного виду (енергії електричного поля) в енергію іншого виду (внутрішню енергію тіл, у механічну й інші види енергії).

При введенні поняття роботи електричного струму можна скористатися дослідами, що безпосередньо демонструють механічну роботу електричного струму (підйом вантажу електродвигуном). Для демонстрації збирають установку з електродвигуна, послідовно з яким вмикають реостат і демонстраційний амперметр.

Учні на досліді бачать, що електричний струм  виконує роботу, отже, електрична енергія перетворюється на механічну.

Щоб установити, від чого залежить робота електричного струму, скористаємося установкою з лампою накалювання. Змінюючи опір реостата, демонструємо різне світіння лампи. Помічаємо значення сили струму й напругу в цих випадках. Очевидно, чим яскравіше світиться лампа, тим більше виділяється в ній енергії і,  отже, тим більшу роботу виконує електричний струм. Звертаємо увагу, що саме цьому випадку відповідають і великі значення сили струму й напруги.

                          2. Обчислення роботи електричного струму

Дослід має можливість якісно установити:

Робота електричного струму А пропорційна силі стуму І, напрузі U і часу t.

А=ІUt.

Формула роботи може бути отримана і з відомого учням визначення напруги: U=А/q. З  цієї формули одержуємо:

А = qU=IUt.

За одиницю роботи  електричного струму в СІ прийнятий джоуль.

 Один джоуль дорівнює роботі, що виконується електричним струмом  силою 1 А за напруги 1В протягом 1с.

1 Дж = 1 В  *А * с.

                 3. Потужність електричного струму

З поняттям потужності учні вже зустрічалися при вивченні механіки. Тому спочатку можна повторити визначення потужності й одиниці її виміру.

Фізичну величину, що характеризує швидкість виконання роботи, називають потужністю.

У споживачах електричної енергії струм виконує роботу, швидкість виконання якої залежить від виду споживача і напруги, що подається до нього.

Потужність електричного струму – це фізична величина, що характеризує швидкість виконання електричним струмом роботи, і дорівнює відношенню роботи А до часу t, за який ця робота була виконана.

A / t = IUt / t = IU.

За одиницю потужності в СІ прийнятий ват (Вт):

1Вт = 1 В * 1А.

               4. Вимірювання роботи й потужності електричного струму

         З формули для обчислення роботи сили струму випливає, що для вимірювання роботи достатньо виміряти силу струму в колі, напругу на ділянці кола, час протікання струму. Таким чином, для  вимірювання роботи  струму необхідні такі прилади: амперметр, вольтметр і секундомір.

         Такі виміри ми називаємо непрямими. Але існують прилади прямого вимірювання роботи  струму – лічильники електричної енергії, що встановлюються скрізь, де використовується електрична енергія: у квартирах, офісах, навчальних і виробничих установах.

         Для вимірювання потужності електричного струму використовуються ватметри, що враховують напругу та силу струму.  Виміряти потужність можна і за допомогою вольтметра й амперметра. Щоб обчислити шукану потужність, множать напругу на силу струму, знайдені за показниками приладів.

         З  формули А=P*t можна одержати широко застосовувані  в побуті одиниці виміру електричної енергії – кіловат-годину:

1 кВт*год=1000Вт * 3600 с = 3,6*10⁶ Дж*с/с=3,6*10⁶Дж.

Виконання до учнів у ході викладу нового матеріалу

- Що розуміють під поняттям механічної енергії і роботи?

- Які спостереження показують, що електричний струм може виконати роботу?

- Які перетворення енергії відбуваються в зовнішній ділянці електричного кола?

Що розуміють під поняттям механічної потужності?

- Які ви знаєте одиниці потужності й роботи, що використовуються в електриці?
ІСТОРИЧНА ДОВІДКА 

Народився Джеймс Пре́скотт Джо́уль в Солфорді поблизу Манчестера 24 грудня 1818. До 15-ти років Джеймс виховувався в сім’ї батька, багатого пивовара, і здобув домашнюю освіту. Протягом декількох років його вчив математиці, фізиці, початкам хімії відомий фізик і хімік Джон Дальтон, під впливом якого Джеймс вже в 19 років почав експериментальні дослідження. Саме Дальтон прищепив Джеймсу любов до науки і пристрасть до збору і осмислення численних даних, на яких засновані наукові теорії і закони. На жаль, математична підготовка Джеймса Джоуля була слабкою, що надалі дуже заважала йому в дослідженнях і, можливо,  не дало йому зробити ще значніші відкриття.

У Джеймса Джоуля не було ніякої професії і ніякої роботи, окрім допомоги в управлінні заводом батька. Аж до 1854, коли завод нарешті був проданий, Джеймс Джоуль працював на ньому і уривками, ночами, займався своїми дослідами. Після 1854 року у Джоуля з’явилися і час, і кошти, щоб побудувати у власному будинку фізичну лабораторію і повністю присвятити себе експериментальній фізиці. Пізніше Джеймс Джоуль почав випробовувати матеріальні утруднення і для продовження досліджень звернувся по фінансову допомогу до королеви Вікторії.

Протягом 1837-1847 рр. Джеймс весь вільний час присвятив різноманітним експериментам з перетворення різних форм енергії – механічної, електричної, хімічної, - в теплову енергію. Він розробив термометри, що вимірювали температуру з точністю до однієї двохсотої градуса, що дозволило йому проводити вимірювання з найкращою для того часу точністю.

У 1843 Джеймс Джоуль зайнявся новою проблемою: доказом існування  кількісного співвідношення між 2-ма силами  різної природи, що приводять до виділення тепла.

У червні 1847 року Джеймс Джоуль представив доповідь на зборах Британської асоціації учених, в якій він повідомив про найточніші вимірювання механічного еквівалента теплоти. Доповідь стала поворотним пунктом в його кар’єрі. У 1850 Джеймс Джоуль був вибраний членом Лондонського королівського товариства.

У 1847 Джеймс Джоуль познайомився з В. Томсоном  і досліджував разом з ним поведінку газів в різних умовах. Результатом цієї співпраці стало відкриття ефекту охолоджування газу при повільному  адіабатичному протіканні його  через пористу перегородку ( ефект Джоуля -Томсона).

У 1854 Джеймс Джоуль продає завод, що залишився йому від батька, і цілком присвячує себе науці. Невтомно працюючи все в тій же області, Джеймс Джоуль до смерті обнародував 97 вчених робіт, з яких близько 20 зроблені в співтоваристві з В. Томсоном і Л. Пленером; більшість яких стосується застосування механічної  теорії тепла до теорії газів, молекулярної фізики і акустики і належать до класичних робіт з фізики.

Помер Джоуль в Сейлі  11  жовтня 1889.

Джеймс Ватт народився 19 січня 1736 в маленькому шотландському містечку Грінок поблизу Глазго. Його дід викладав математику і мореплавство, земляки дуже поважали його і завжди обирали його то головним окружним суддею, то головою церковної ради. Батько успадкував частково дідову освіченість, але в нього були ще й задатки підприємця. Він і кораблі будував, і торгував, і тримав склад якорів, канатів та інших корабельних снастей, і підіймальний кран збудував, збирав морехідні інструменти, відкрив майстерню. У майстерні маленький Джеймс просиджував годинами. Після риболовлі робота тут особливо подобалася йому. Ватт не дістав інженерної освіти. Власне кажучи, він ніякої спеціальної освіти не мав. Хворобливий хлопчик, який завжди страждав головними болями, він навчався і початковій, і в середній школі з великими перебоями, і його серед однокашників вважали досить тупим. Тільки, коли йому було вже 13 років, незаперечні математичні здібності хлопця швидко вивели хлопця в число перших школярів. Гостюючи в Глазго у свого дядька-професора давніх мов, викладача університету, він почав сам проводити різні досліди з хімії і фізики. Він взагалі любив працювати сам, спокійно, не кваплячись, обдумувати зроблене і знову перевіряти свої міркування на досліди, і, навіть відпочивати, був спостережливим. І та спостережливість, як свідчить його друг і біограф професор Робінсон, дозволила йому « уміти зі свого зробити предмет нового серйозного вивчення.» Джеймс уникав галасливих ігор і всяких спортивних турнірів. « Він рідко вставав рано, - згадує у своїх мемуарах йог тітка, - але за кілька годин занять встигав зробити більше, ніж звичайно люди роблять за кілька днів».

У 1764 році один із професорів Глазгівського університету доручив Ватту відремонтувати модель парової машини Ньюкомена. Джеймс узявся до діла без будь-якого натхнення. Але наткнувшись на труднощі під час ремонту, він, за звичкою, замислився над їх природою і скоро зрозумів, що причиною цього зовсім не ця конкретна злощасна модель, а самі принципи, на яких вона була побудована. Це вже цікаво! Він почав працювати. І от якось. «Суботній день (1765) був чудовий, і я пішов на прогулянку, - згадував потім Уатт. – Всі мої думки були зосереджені на вирішенні проблеми, що захопила мене. Підійшов до хати пастуха, і в цю мить у мене в голові майнула думка: оскільки пара – еластичне тіло, вона рине у вакуум. Якщо між циліндром і вихлопним пристроєм буде прохід, то пара проникає туди. Саме там її можна буде конденсувати, не охолоджуючи при цьому циліндра. Коли я дійшов до Гольфгауза, в моїй голові склалося повне уявлення того, що треба було робити». Отак ішов чоловік і думав, люди дивились на нього і не знали, що саме в ці секунди народжується безсмертя його ім’я і інструментальник із Глазго перетворюється на гордість нації. Ватт побудував модель, яку і сьогодні можна побачити в Лондонському науковому музеї, і перевірив на ній усі свої ідеї. Двісті років тому 9 січня 1769 року, він одержав патент на способи зменшення споживання пару і при цьому палива у вогневих машинах». А далі життя його можна уявити у вигляді двох нерівних частин. Більшу становили періоди пошуків засобів для удосконалення парової машини. Він працює і робить ескіз пароплавного гвинта, вигадує мікрометр, винаходить центр обіжний регулятор і механізм, названий «паралелограмом Ватта», яким він дуже гордився. Та головне, усі ці роки він безперервно удосконалює свою машину. В 1782 році Уатт одержує патент на паровий двигун розширенням пари, де вперше застосував механізм для перетворення прямолінійного руху на обертальний, а через два роки йому видають патент на універсальний паровий двигун. Спочатку повільно, потім – усе швидше росте визнання його творіння. Машину купують власники шахт, рудників, директори заходів. Ватту діяльно допомагає Метью Болтон, багатий промисловець, що перший розгадав геній Ватта, людина невсипущої енергії і високих людських якостей. На заводах Болтана будують нові «вогненні машини», нові ідеї винахідника перевіряють в чудово обладнаних майстернях. Болтон був один із тих, кому Англія забов’язана  була багаторічною славою «майстерні світу».

Помер Уатт 25 серпня 1819 в Хітфілде  поблизу  Бірмингема.

Тести

1.     Яку одиницю роботи електричного струму, крім джоуля використовують? (1 бал)

а) Вт                б) кВт               в) кВт*год            г) кВт/год

2. Серед наведених формул покажіть формулу для обчислення потужності електричного струму. (2 бали)

а) Q=I²Rt            б) P=F v             в) P=UI                  г) A = UIt

3. Яку роботу виконує електричний струм за 10 хв. на ділянці кола, якщо сила струму в ньому 2 А, а напруга 50 В? (2бали)

а) 100Дж                б) 6000 Дж         в) 10Дж              г) 200Дж

4. За який час електричний струм виконує роботу 10 кДж, якщо потужність струму 40 Вт? (2 бали)

а) 400000 с               б) 250 с.              в) 0.004с.            г) 0.25 с.

5. Запишіть значення роботи та потужності електричного струму в зазначених одиницях. (3 бали )

А=14,4 МДж =__________кДж =____________Дж;

Р=1080 Вт=____________ГВт=_____________кВт.

6. Яким є номінальний опір волоска розжарення електричної лампи, на цоколі якої написано «110 В, 50 Вт»?  (2 бали)

а) 242 Ом             б) 5/11 Ом          в) 2,2 Ом               г) 1/242 Ом.

Задача №1

Яку роботу виконує електрофрезерна машина за 20 хвилин, якщо сила струму на приладі написано 220 В, 5 А? Обчисліть ціну використаної електроенергії, потужність приладу?

Домашне завдання:

 Також вам необхідно переглянути відео урок, який більш детально дасть вам можливість опанувати новий матеріал.

https://www.youtube.com/watch?v=wpx6xsh2O-4
https://www.youtube.com/watch?v=mNXSzLlhPYs