Нагревание проводников электрическим током. Закон Джоуля - Ленца - ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ

Тип урока: урок общеметодологической направленности.

Используемые технологии: здоровьесбережения, информационно-коммуникационные, развития критического мышления, развития исследовательских навыков.

Цели: познакомить учащихся с законом Джоуля — Ленца; дать представление о нагревании проводников при прохождении электрического тока с точки зрения закона сохранения и превращения энергии.

Формируемые УУД: предметные: научиться объяснять явление нагревания проводников при прохождении электрического тока, применяя закон сохранения и превращения энергии; формулировать закон Джоуля — Ленца; рассчитывать количество теплоты, выделяющееся при прохождении тока по проводнику; метапредметные: планировать учебное сотрудничество с учащимися и учителем, работать индивидуально и в группе, находить общее решение и разрешать конфликты на основе согласования позиций и отстаивания интересов, определять способы действий в рамках предложенных условий и требований; ставить учебную задачу, составлять план и последовательность действий, осуществлять контроль в форме сравнения результата и способа действий с эталоном с целью обнаружения отличий и отклонений от него; самостоятельно выделять познавательную цель, устанавливать причинно-следственные связи; формирование умения видеть физические явления и законы в технических решениях.

Приборы и материалы: источники тока, лампа накаливания, ключ, реостат, амперметр, вольтметр, медный, стальной, никелиновые провода, соединительные провода, электронное приложение к учебнику.

Ход урока

I. Организационный этап

(Учитель и ученики приветствуют друг друга, выявляются отсутствующие.)

II. Актуализация знаний. Проверка домашнего задания

(Учитель проводит фронтальный опрос по вопросам и заданиям учебника. Два ученика записывают на доске решение дополнительной задачи.)

III. Изучение нового материала

Демонстрация 1. Соберем электрическую цепь, в которую последовательно включим лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем демонстрационные амперметр и вольтметр.

В проводнике при протекании тока происходит превращение электрической энергии во внутреннюю, и проводник нагревается. Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается? Вы неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах. На опыте с лампой накаливания вы убедились, что накал лампы возрастал при увеличении тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.

Демонстрация 2. 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.

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

(Ученики отвечают на вопросы.)

— Из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

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

Работу силы тока рассчитывают по формуле

Кроме того, вам известно, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, т. е. на то, чтобы увеличить их внутреннюю энергию.

Следовательно, количество теплоты равно

Из закона Ома для участка цепи

Следовательно,

Сформулируем закон Джоуля — Ленца: 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, т. е. 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.

(Учитель демонстрирует учащимся анимационный ролик 112 “Закон Джоуля — Ленца” из электронного приложения к учебнику.)

IV. Закрепление изученного материала

(Ученики коллективно разбирают решение задач.)

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

Решение. Медная проволока обладает меньшим удельным сопротивлением по сравнению с железной, следовательно, и ее сопротивление будет меньше при одинаковых размерах проволоки. При параллельном включении напряжение на проволоках будет одинаковым, следовательно, учитывая выражение большее количество теплоты выделится на проволоке, обладающей меньшим сопротивлением, т. е. на медной.

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

Решение. Уменьшение длины спирали приведет к уменьшению ее сопротивления, а значит, к возрастанию выделяемого количества теплоты при включении в такое же напряжение.

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

Ответ: 144 кДж.

4. Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин работы.

Ответ: 1,2 МДж.

V. Рефлексия

(Ученики оценивают свою работу на уроке и качество усвоения материала, заполнив анкету.)

Вопросы анкеты

1. Вспомни и запиши тему урока.

2. Какие термины, факты, закономерности ты усвоил(а) на уроке?

3. Считаешь ли ты полезными, интересными полученные знания?

4. Какую оценку за урок ты бы себе поставил(а)?

Домашнее задание

1. § 53 учебника, вопросы к параграфу.

2. Выполнить упр. 37 нас. 151 учебника.

3. Подготовить доклад (по желанию). Примерные темы докладов: “Первое электрическое освещение свечами П.Н. Яблочкова”, “Лампы накаливания и история их изобретения”, “Использование теплового действия тока в промышленности и сельском хозяйстве”, “Электрические нагревательные приборы”.

Дополнительный материал

Джеймс Прескотт Джоуль (1818—1889)

Родился Джоуль в Манчестере 24 декабря 1818 г., 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, 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 в.

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.