Урок на тему «Удельное сопротивление проводника. Работа и мощность тока» 10 класс

Урок на тему:

«Удельное сопротивление проводника. Работа и мощность тока»

Цели урока

Образовательные: рассмотреть явления перехода энергии стационарного электрического поля во внутреннюю энергию, показать применение теплового действия тока в технике; дополнить теоретические знания учащихся об электрическом сопротивлении, работе и мощности тока.

Развивающие: продолжить формирование умения применять в решении задач формулы работы, мощности, закон Джоуля - Ленца, продолжить развитие экспериментальных умений и навыков учащихся, развитие их логического мышления, умения планировать свои действия, анализировать результаты.

Воспитательные: продолжить расширение кругозора учащихся, формировать бережное отношение к физическому оборудованию, воспитывать аккуратность при ведении записей в тетради и на доске; учить наблюдать, делать выводы и их аргументировать.

Оборудование: амперметры, вольтметры, реохорды, реостаты, источники тока, штангенциркули, кодоскоп, таблицы по теме «Электрический ток».

Тип урока: урок закрепления знаний, умений и навыков.

Ход урока

I. Организационный момент.

II. Повторение изученного материала.

Вступительное слово учителя:

Мы продолжаем изучать тему «Электрический ток». Сегодня мы рассмотрим это явление с энергетической точки зрения, будем говорить о величинах, характеризующих энергетические превращения. Как всегда уделим большое внимание решению задач, среди которых будут и графические, и вычислительные, и экспериментальные. Урок будет насыщенным, поэтому настройтесь на рабочий лад, будьте внимательны и активны.

Совсем скоро вы будете стоять перед выбором своей будущей профессии. Кто-то захочет стать врачом, кто-то инженером, военным, экономистом, может, среди вас будут и учителя. Но независимо от рода будущей деятельности вам будут необходимы знания основ электротехники, правила обращения с электроприборами и цепями. Наша задача на практике получить эти знания. Сегодня мы решим экспериментальную задачу «Измерение удельного сопротивления проводника».

- Для начала вспомним, какие величины характеризуют прохождение электрического тока по цепи.

- I, U, R.

- Дайте определение этим физическим величинам.

- Сила тока - это физическая величина, равная отношению электрического заряда, прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения.

Напряжение - это физическая величина, равная отношению работы тока на данном участке цепи к электрическому заряду, прошедшему по этому участку.

R - сопротивление - - это физическая величина, характеризующая свойство проводников ограничивать силу тока в цепи, т.е. противодействовать электрическому току (мера противодействия направленному движению свободных зарядов в проводнике).

- Какой закон связывает все эти величины?

- Закон Ома для участка цепи: сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на эго концах и обратно пропорциональна сопротивлению участка. (Ученик записывает на доске формулу закона Ома, остальные учащиеся заполняют рабочий листок).

- Выразите из этой формулы сопротивление проводника.

-

- Можно ли сказать, что сопротивление прямо пропорционально напряжению и обратно пропорционально силе тока?

- Напряжение и сила тока не определяют сопротивление проводника. Формула отражает тот факт, что для данного проводника сила тока тем больше, чем больше напряжение. При различных значениях напряжения сила тока будет иметь различные значения, но отношение напряжения к силе тока (при постоянной температуре) будет одинаковым и равным сопротивлению этого проводника.

- Сопротивление не зависит ни от силы тока, ни от напряжения. От чего же зависит сопротивление проводника?

- От материала, из которого изготовлен проводник, от его геометрических размеров (длины и площади поперечного сечения). (Учащиеся записывают в рабочих листах формулу).

- Как объяснить эту зависимость с точки зрения строения проводника?

- Причина сопротивления проводника - взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решетки. Следовательно, чем больше длина проводника, тем больше столкновений с ионами испытывают на своем пути электроны, тем больше сопротивление проводника, т.е. Rl. Чем больше площадь поперечного сечения проводника, тем меньше сопротивления испытывают электроны при своем движении, тем меньше сопротивление проводника, т.е. R. Различия в строении кристаллических решеток металлов приводит к зависимости сопротивления от рода материала, из которого изготовлен проводник.

- Для учета зависимости сопротивления проводника от вещества, из которого он изготовлен, вычисляют удельное сопротивление вещества . Об этой величине подробно говорилось в восьмом классе. Охарактеризуйте удельное сопротивление по плану ответа о физической величине. (Один ученик работает на кодопленке, остальные - на рабочих листах)

Формула

Физический смысл

удельное сопротивление численно равно сопротивлению проводника из данного вещества длиной один метр и площадью поперечного сечения один метр в квадрате.

Единицы измерения в СИ

[]==

Единицы измерения, используемые на практике

[]=

- Сейчас вы будете определять удельное сопротивление проводника. Какие измерительные приборы вам для этого потребуются?

- Амперметр, вольтметр, линейка, штангенциркуль.

- А теперь получите расчетную формулу и предложите электрическую схему, необходимую для решения этой экспериментальной задачи. (Один ученик работает на кодопленке, остальные - на рабочих листах).

- Откройте тетради для лабораторных работ с подготовленными дома бланками отчета. Приступайте к решению задачи. Помните, что при работе с электрическими цепями нужно соблюдать правила техники безопасности, о которых мы с вами говорили.

Ход лабораторной работы:

1) Соберите необходимую цепь, проверьте надежность контактов и правильность подключения измерительных приборов.

2) Измерьте длину проводника, его диаметр, силу тока в проводнике и напряжение на его концах.

3) Вычислите приблизительное значение удельного сопротивления проводника.

4) Определите инструментальные погрешности измерительных приборов и погрешности отсчета. Вычислите максимальные абсолютные и относительные погрешности измерений величин U, d, I, l. Погрешностью 3,14 можно пренебречь.

5) Вычислите максимальные относительную и абсолютную погрешности измерения удельного сопротивления проводника.

6) Запишите результат измерения удельного сопротивления проводника в виде

7) Определите по справочнику материал проводника.

После решения экспериментальной задачи учащиеся сдают тетради на проверку.

- Результаты лабораторной работы вы узнаете завтра.

- Продолжаем наш урок. Мы не можем видеть в проводниках движущиеся заряженные частицы. Как же узнать, протекает ли по данному проводнику электрический ток.

- Электрический ток оказывает различные действия: химическое, магнитное, тепловое.

- Все физические явления сопровождаются превращением энергии из одного вида в другой. Какие превращения энергии наблюдаются при протекании электрического тока в цепи?

- Энергия электрического поля может превращаться в механическую энергию, внутреннюю, химическую, магнитную энергию.

-Сейчас вы пронаблюдаете явления протекания электрического тока по цепи. Ваша задача ответить на вопрос, какие энергетические превращения происходят в каждом случае?

Опыт 1. Поднятие бруска электромоторчиком за нить, перекинутую через неподвижный блок.(W_элW_мех+ W_внутр)

Опыт 2.Демонстрация теплового действия электрического тока. (W_элW_внутр)

- Какая физическая величина является мерой превращения электрической энергии в другие виды энергии?

- Работа тока.

- Какая величина характеризует быстроту этого превращения?

- Мощность тока.

- Запишите в тетради тему урока: «Работа и мощность тока». Получите формулу для расчета работы тока.

Работа тока Мощность тока

- Преобразуйте эти формулы, используя закон Ома для участка цепи.

-Получите единицы измерения работы и мощности в СИ.

- Какие единицы измерения работы используются на практике?

-

-Наиболее часто на практике используется тепловое действие электрического тока. Приведите примеры.

-Тепловое действие тока используют в металлургии для выплавки стали и других металлов, для электросварки, обогрева теплиц, сушки зерна, в инкубаторах.

Существует большое число электронагревательных приборов, в которых используется тепловое действие тока: электроплитки, утюги, самовары, обогреватели, электрические одеяла, фены.

-Какой физический закон описывает данное явление?

-Закон Джоуля - Ленца.

-Послушаем сообщение об истории открытия этого закона.

-Джеймс Прескотт Джоуль, манчестерский пивовар, владелец большого пивоваренного завода, родился 24 декабря 1818 г. Он рано увлекся электрическими исследованиями и конструированием электрических приборов, которые описывал систематически в небольшом специальном журнале. В октябре 1841 г. он опубликовал статью о тепловом эффекте электрического тока, в которой установил, что количество теплоты, выделяемое током в проводнике, пропорционально квадрату силы тока.

Задолго до Джоуля аналогичные исследования были начаты петербургским академиком Э. Х. Ленцем, который опубликовал свою работу в 1843 г. под заглавием «О законах выделения тепла гальваническим током». Ленц упоминает и о работе Джоуля. Результаты эксперимента Ленц сформулировал в следующих двух положениях:

1. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально сопротивлению проволоки.

2. Нагревание проволоки гальваническим током пропорционально квадрату служащего для нагревания тока.

Точность и обстоятельность опытов Ленца обеспечили признание закона, вошедшего в науку под названием закона Джоуля - Ленца.

-Запишите и сформулируйте закон Джоуля - Ленца.

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

III. Закрепление.

- Применим наши знания при решении задач.

Задача №1.

Даны графики зависимости I(U) для двух проводников. Найти сопротивления проводников R₁ и R₂. На каком из проводников за одинаковое время выделится большее количество теплоты, если их соединить: 1) последовательно; 2) параллельно.

(Два ученика работают у доски, остальные - в тетради)

Решение:

Последовательное соединение

Параллельное соединение

Согласно закону Джоуля - Ленца наибольшее количество теплоты выделяется на тех участках цепи, сопротивление которых наибольшее при последовательном соединении и сопротивление которых наименьшее при параллельном соединении.

Задача №2 (Рымкевич №808).

Электродвигатель подъемного крана работает под напряжением 380В, при этом сила тока в его обмотке равна 20А. Каков КПД установки, если груз массой 1т кран поднимает на высоту 19м за 50с? (Один ученик решает у доски, а остальные - в тетрадях.)

Дано:

U=380В

I=20А

t=50c

m=1т=110³кг

h=19м

Решение:

При работе электродвигателя только часть электроэнергии превращается во внутреннюю. КПД установки можно рассчитать по формуле:

Ответ: =50%

- ?

- При работе электродвигателя полезная энергия идет на совершение механической работы. Но КПД характеризует не только работу механических устройств, а также работу нагревателей. Прочитайте следующую задачу.

Задача № 3. (Рымкевич №812).

Какой длины надо взять никелиновую проволоку площадью поперечного сечения 0,84 мм², чтобы изготовить нагреватель на 220 В, при помощи которого можно было бы нагреть 2 л воды от 20 С до кипения за 10 мин при КПД равном

80

-Чем эта задача отличается от предыдущей?

-Полезная энергия идет на нагревание воды.

-Как в этом случае рассчитать КПД нагревателя?

-КПД равен отношению количества теплоты, необходимого для нагревания воды, к количеству теплоты, выделяющегося в проводнике при прохождении по нему электрического тока. (Один ученик решает задачу у доски, остальные в тетрадях.)

Дано:

S = 0,84 мм²

= 0,42

U = 220 В

V = 2 л = 210^-3 м³

D = 1000

c = 4200

t₁ = 20 C

t₂ = 100 C

τ = 10 мин = 600 с

= 0,8

Решение:

=

Ответ: l = 69 м

l - ?

-Сейчас выполните небольшую самостоятельную работу. (По окончании работы учащиеся обмениваются тетрадями для взаимопроверки. Правильное решение показывает учитель на кодопленке. После проверки выставляют оценки.)

Задания 47А и 47В. Ушаков.

Воду из мензурки перелили в стакан с электронагревательным-элементом и вскипятили.

1. Нарисуйте принципиальную схему изображенной электрической цепи.

2. Определите количество полезно израсходованной теплоты (Q_п).

3. Рассчитайте мощность электронагревательного элемента.

4. Считая КПД установки равным 50%, определите время (t), необходимое для кипячения воды.

5. Определите длину нихромового провода нагревательного элемента, если его сечение 0,5 мм² (_нихр = 10,510^-6 Омм). Нарисуйте принципиальную схему изображенной электрической цепи.

1 вариант

Дано:

I = 3 А

U = 10 В

= 4,2 Омм

S = 0,5 мм² = 510^-7 м²

t₁ = 22 С

t₂ = 100 С

V = 110 см³ = 1,110^-4м³

= 0,6

Решение:

Q_п= сm(t₂-t₁) = cDV(t₂ - t₁)

=36036 Дж ≈ 36 кДж

Р = IU

Р = 3А10В = 30Вт

Ответ: 36кДж ;30Вт; 33,3мин; 3,9 м

Q_п - ? Р - ? τ - ? l -?

2 вариант

Дано:

I = 2A

U = 6B

t₁ = 18C

t₂ = 100C

V = 80 см³

Решение:

Q_п = 27,5 кДж

Р = 12 Вт

τ = 4,610³ с

l = 0,14 м

Q_п - ? Р - ? τ - ? l -?

IV. Подведение итогов. Выставление оценок.

V. Домашнее задание. §52. Рымкевич: № 806, 807, 809, 810, 811, 813.

Гольдфарб: №21.42 - 21.44. (По желанию)

Рабочий лист

Удельное сопротивление проводника

I. Закон Ома для участка цепи _________________________

II. R=__________

III. От чего зависит сопротивление проводника? _________________

Формула удельного сопротивления

Физический смысл

Единицы измерения в СИ

Единицы измерения, используемые на практике

IV. Получите расчетную формулу и предложите электрическую схему, необходимую для определения удельного сопротивления проводника.

V. Измерение удельного сопротивления проводника

1) Соберите необходимую цепь, проверьте надежность контактов и правильность подключения измерительных приборов.

2) Измерьте длину проводника, его диаметр, силу тока в проводнике и напряжение на его концах.

3) Вычислите приблизительное значение удельного сопротивления проводника.

4) Определите инструментальные погрешности измерительных приборов и погрешности отсчета. Вычислите максимальные абсолютные и относительные погрешности измерений величин U, d, I, l. Погрешностью 3,14 можно пренебречь.

5) Вычислите максимальные относительную и абсолютную погрешности измерения удельного сопротивления проводника.

6) Запишите результат измерения удельного сопротивления проводника в виде

7) Определите по справочнику материал проводника.

Домашнее задание. §54. Рымкевич: № 806, 807, 809, 810, 811, 813.

Гольдфарб: №21.42 - 21.44. (По желанию)