Урок физики в 8 классе Тема урока: Лабораторная работа №7 «Измерение мощности и работы тока в электрической лампочке»
план-конспект урока по физике (8 класс)

Урок физики в 8 классе

Тема урока: Лабораторная работа №7 «Измерение  мощности и работы тока в электрической лампочке»

Цель урока: выработать умения и навыки расчеты работы и мощности тока, закрепить навыки работы с приборами.

Образовательная:

вычисление работы и мощности электрического тока, используя показания амперметра, вольтметра и часов, продолжить формировать практические навыки измерения напряжения, силы тока.

Развивающиеся:

• развивать умения наблюдать, сопоставлять, сравнивать и обобщать результаты экспериментов;
• продолжить формирование  умений пользоваться теоритическими и экспериментальными методами физической науки для обоснования выводов по изучаемое теме.

Воспитательная:

развивать познавательный интерес к предмету.

Оборудование: источник питания, низковольтная лампа на подставке, вольтметр, амперметр, ключ, соединительные провода. Часы

Ход урока

1. Организационный момент

Сегодня мы подытожим свои знания по теме «Работа и мощность электрического тока», выполним лабораторную работу по измерению этих физических величин в электрической лампочке.

Но прежде послушаем ваши сообщения по следующим вопросам:

Истрия изображения лампы накаливания

На этот вопрос, заданный в разных странах, можно получить абсолютно различный ответ. Американцы с присущей им самоуверенностью будут доказывать, что это изобретатель первой лампы накаливания – их земляк Эдисон, получивший патент на свое изобретение в 1880 году. Французы назовут русского ученого Яблочкова: при помощи его изобретения начали освещать площади и театры столицы этой страны. Возможно, кто-то вспомнит Лодыгина – изобретателя из Петербурга, лампами которого в 1873 году начали освещать улицы города. Скорей всего, будут и другие ответы: все зависит от осведомленности человека в этом вопросе.

Что самое удивительное, в этом случае все будут правы. Как такое возможно?

С изобретением электричества (открытием электрического тока), научные открытия последовали одни за другими. Причем делали их совершенно разные ученые и изобретатели, в совершенно разных странах. Постепенно электротехника выделилась в отдельную науку (изначально все это относилось к физическим явлениям).

Началом разработок и поисков решений для изобретения именно электрической лампочки стало получение русским академиком Петровым в 1802 году электрической дуги от мощнейшей на то время электрической батареи. В свою очередь, создание этой батареи стало возможно благодаря изобретению итальянцем Вольтом химического источника энергии – гальванического элемента. Таким образом, одно изобретение порождало другие открытия, которые, в свою очередь, давали начало новым идеям и опытам.

К середине 19 века многие ученые и изобретатели проводили эксперименты по получению устойчивого и долговечного свечения. Разнообразие идей привело к тому, что выделилось три направления разработок. Отдельные ученые пытались усовершенствовать дуговую электрическую лампу, другие бились над лампой накаливания, третьи – работали с газоразрядными источниками.

Все же самой перспективной в плане освещения считалась электрическая дуга: именно на этом направлении велось большинство исследований и проводилось различных опытов. Однако все исследователи столкнулись с одинаковой проблемой: между электродами яркая, и устойчивая дуга образуется при определенном расстоянии между ними. Большинство опытов проводилось при помощи угольных электродов, которые достаточно быстро прогорали и дуговое расстояние постоянно менялось.

Требовался автоматический регулятор. Предлагались различные варианты, но у всех был один недостаток: на каждую электрическую лампу накаливания необходим был отдельный источник питания. Большой прорыв в этом направлении в 1856 году совершил изобретатель Шпаковский: ему удалось собрать установку из 11 дуговых ламп, которые работали в одной цепи от единственного источника питания.

Через 13 лет, в 1869 году Чиколев придумал и успешно опробовал дифференциальный регулятор для дуговых ламп. Это изобретение (в усовершенствованном виде) с успехом применяется в мощных установках и сегодня. Пример – в морских прожекторах и на маяках.

ПРОРЫВ ЯБЛОЧКОВА

В середине второй половины 19 века в лавине технических прорывов, новых изобретений наступило относительное затишье. Изобретатели и электротехники по-прежнему не могли решить главную проблему: неравномерность сгорания угольных электродов. Также не был найден эффективный и компактный регулятор. Но, стоит отметить, были и определенные достижения: электроды помещались в стеклянную колбу, что давало им определенную защиту от механического и атмосферного воздействия.

Как это часто бывает с великими изобретениями, помог случай. Находясь в крайней степени задумчивости над решением этой проблемы, Яблочков сделал заказ официанту и задумчиво смотрел, как тот расставляет тарелки и столовые приборы. Каково же было удивление официанта, когда солидный господин внезапно вскочил и, бормоча что-то под нос, выбежал из кафе. Возможно, он так и не узнал, что поневоле стал соавтором революционного решения, которое сдвинуло с мертвой точки изобретение эффективной лампочки.

Дело в том, что до этого времени все исследователи размещали электроды в колбе горизонтально, что приводило к неравномерности образования дуги между ними. При взгляде на параллельно лежащие столовые принадлежности, Яблочкова осенило: именно так нужно размещать электроды. В этом случае расстояние между ними будет одинаковым: потребность в регуляторах просто отпадает сама собой.

Конечно, до окончательного решения проблемы было еще очень далеко, но было совершено главное: был получен новый толчок изобретательской мысли и сломлен барьер многолетнего топтания на месте.

Далее события опять приобрели ускорение, и решения последовали одно за другим:

• Прежде всего, электротехники столкнулись с новой проблемой: параллельно расположенные стержни начали гореть по всей длине: дуга все время скатывалась к токоподводящим клеммам. Проблему удалось решить только после размещения между электродами изоляционной прокладки. После многочисленных опытов в этом качестве лучшей был признан каолин: он равномерно плавился с электродами;
• Следующая проблема, с которой столкнулась команда Яблочкова, являлся вопрос, как зажечь электроды? Решением стала угольная перемычка, располагаемая сверху лампы, которая при подаче тока сгорала, создавая дугу;
• Проблему неодинакового истончения электродов решили созданием положительного стержня более толстым по сравнению с отрицательным. Полностью решить этот вопрос смогло лишь использование переменного тока.

В 1876 году представленная на выставке, которая проводилась в английской столице, свеча Яблочкова имела достаточно простую конструкцию: два вертикально расположенных электрода давали яркий и мягко-матовый свет. Через год после выставки создается акционерное общество, занимающееся вопросом изучения электроосвещения, на основе исследований и достижений Яблочкова.

Также за эти два года были получены необходимые патенты, чтобы во Франции началось производство свечей Яблочкова, которые в Европе получили название «русский свет». Также был налажен выпуск электрических генераторов, которые и питали первую серийно выпускавшуюся лампочку.

ЛАМПЫ НАКАЛИВАНИЯ

Практически параллельно с этим продвигались изобретения и исследования с лампами накаливания. Всемирную известность получил Эдисон: считается, что именно он придумал первую лампу, работающую по принципу нити накаливания. Все это одновременно так, и немного не соответствует действительности. Как и в предыдущем случае, работы велись разными учеными, в различных уголках земного шара. Каждое новое открытие и достижение продвигало на шаг вперед всех изобретателей.

Эксперименты с электротоком начались сразу после его открытия. Уже в начале 19 века проводились опыты с накаливанием различных проводников. Целью применения данной методики для освещения задался в 1844 году изобретатель де-Молейн. Для накаливания он использовал платиновую проволоку, которую размещал внутри стеклянной колбы. Однако такая проволока быстро расплавлялась. В 1845 году английский ученый Кинг предложил заменить платину угольными стержнями.

Энергосберегающие лампы

В 1809 году англичанин Деларю строит первую лампу накаливания (с платиновой спиралью). В 1838 году бельгиец Жобар изобретает угольную лампу накаливания. В 1854 году немец Генрих Гёбель разработал первую «современную» лампу - обугленную бамбуковую нить в вакуумированном сосуде. В последующие 5 лет он разработал то, что многие называют первой практичной лампой. В 1860 год английский химик и физик Джозеф Уилсон Суон продемонстрировал первые результаты и получил патент, однако трудности в получении вакуума привели к тому, что лампа Суона работала недолго и неэффективно.

1. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью.
2. 11 июля 1874 года российский инженер Александр Николаевич Лодыгин получил патент за номером 1619 на нитевую лампу. В качестве нити накала он использовал угольный стержень, помещённый в вакуумированный сосуд.
3. В 1875 году В. Ф. Дидрихсон усовершенствовал лампу Лодыгина, осуществив откачку воздуха из неё и применив в лампе несколько волосков (в случае перегорания одного из них следующий включался автоматически).
4. Английский изобретатель Джозеф Уилсон Суон получил в 1878 году британский патент на лампу с угольным волокном. В его лампах волокно находилось в разреженной кислородной атмосфере, что позволяло получать очень яркий свет.
5. Во второй половине 1870-х годов американский изобретатель Томас Эдисон проводит исследовательскую работу, в которой он пробует в качестве нити различные металлы. В 1879 году он патентует лампу с платиновой нитью. В 1880 году он возвращается к угольному волокну и создаёт лампу с временем жизни 40 часов. Одновременно Эдисон изобрёл бытовой поворотный выключатель. Несмотря на столь непродолжительное время жизни, его лампы вытесняют использовавшееся до тех пор газовое освещение.
7. Первые лампы накаливания.
8. В 1890-х годах А. Н. Лодыгин изобретает несколько типов ламп с нитями накала из тугоплавких металлов. Лодыгин предложил применять в лампах нити из вольфрама (именно такие применяются во всех современных лампах) и молибдена и закручивать нить накаливания в форме спирали. Он предпринял первые попытки откачивать из ламп воздух, что сохраняло нить от окисления и увеличивало их срок службы во много раз. Первая американская коммерческая лампа с вольфрамовой спиралью впоследствии производилась по патенту Лодыгина. Также им были изготовлены и газонаполненные лампы (с угольной нитью и заполнением азотом).
9. С конца 1890-х годов появились лампы с нитью накаливания из окиси магния, тория, циркония и иттрия (лампа Нернста) или нить из металлического осмия (лампа Ауэра) и тантала (лампа Больтона и Фейерлейна). В 1904 году венгры д-р Шандор Юст и Франьо Ханаман получили патент за № 34541 на использование в лампах вольфрамовой нити. В Венгрии же были произведены первые такие лампы, вышедшие на рынок через венгерскую фирму Tungsram в 1905 году.В 1906 году Лодыгин продаёт патент на вольфрамовую нить компании General Electric.
10. В том же 1906 году в США он построил и пустил в ход завод по электрохимическому получению вольфрама, хрома, титана. Из-за высокой стоимости вольфрама патент находит только ограниченное применение.В 1910 году Вильям Дэвид Кулидж изобретает улучшенный метод производства вольфрамовой нити. Впоследствии вольфрамовая нить вытесняет все другие виды нитей.
11. Остающаяся проблема с быстрым испарением нити в вакууме была решена американским учёным, известным специалистом в области вакуумной техники Ирвингом Ленгмюром, который, работая с 1909 года в фирме «General Electric», ввёл в производство наполнение колбы ламп инертными, точнее тяжёлыми благородными, газами (в частности, аргоном), что существенно увеличило время их работы и повысило светоотдачу.
12. КПД И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ
13. Почти вся подаваемая в лампу энергия превращается в излучение. Потери за счёт теплопроводности и конвекции малы. Для человеческого глаза, однако, доступен только малый диапазон длин волн этого излучения. Основная часть излучения лежит в невидимом инфракрасном диапазоне и воспринимается в виде тепла.
14. Коэффициент полезного действия ламп накаливания достигает при температуре около 3400 K своего максимального значения 15 %. При практически достижимых температурах в 2700 K (обычная лампа на 60 Вт) КПД составляет 5 %.
16. Схема включения лампы накаливания.
17. С возрастанием температуры КПД лампы накаливания увеличивается, но при этом существенно снижается её долговечность. При температуре нити 2700 K время жизни лампы составляет примерно 1000 часов, при 3400 K всего лишь несколько часов, при увеличении напряжения на 20 % яркость возрастает в два раза. Одновременно с этим время жизни уменьшается на 95 %.
18. Уменьшение напряжения питания хотя и понижает КПД, но зато увеличивает долговечность.Так, понижение напряжения в два раза (при последовательном включении) уменьшает КПД примерно в 4-5 раз, но зато увеличивает время жизни почти в тысячу раз. Этим эффектом часто пользуются, когда необходимо обеспечить надёжное дежурное освещение без особых требований к яркости, например на лестничных площадках. Часто для этого при питании переменным током лампу подключают последовательно с диодом, благодаря чему ток в лампу идет только в течение половины периода.
19. Так как стоимость потребленной лампой накаливания за время службы электроэнергии в десятки раз превышает стоимость самой лампы, существует оптимальное напряжение, при котором стоимость светового потока минимальна. Оптимальное напряжение несколько выше номинального, поэтому способы повышения долговечности путем понижения напряжения питания с экономической точки зрения абсолютно убыточны.
20. Ограниченность времени жизни лампы накаливания обусловлена в меньшей степени испарением материала нити во время работы и в большей степени возникающими в нити неоднородностями. Неравномерное испарение материала нити приводит к возникновению истончённых участков с повышенным электрическим сопротивлением, что ведёт к ещё большему нагреву и испарению материала в таких местах. Когда одно из этих сужений истончается настолько, что материал нити в этом месте плавится или полностью испаряется, ток прерывается и лампа выходит из строя.
22. Примеры ламп накаливания.
23. Наибольший износ нити накала происходит при резкой подаче напряжения на лампу, поэтому значительно увеличить срок её службы можно, используя разного рода устройства плавного запуска.
24. Вольфрамовая нить накаливания имеет в холодном состоянии удельное сопротивление, которое всего в 2 раза выше, чем сопротивление алюминия. При перегорании лампы часто бывает, что сгорают медные проводки, соединяющие контакты цоколя с держателями спирали. Так, обычная лампа на 60 Вт в момент включения потребляет свыше 700 Вт, а 100-ваттная — более киловатта. По мере прогрева спирали её сопротивление возрастает, а мощность падает до номинальной.
25. Для сглаживания пиковой мощности могут использоваться терморезисторы с сильно падающим сопротивлением по мере прогрева, реактивный балласт в виде ёмкости или индуктивности, диммеры (автоматические или ручные). Напряжение на лампе растет по мере прогрева спирали и может использоваться для шунтирования балласта автоматикой. Без отключения балласта лампа может потерять от 5 до 20 % мощности, что тоже может быть выгодно для увеличения ресурса.

2. Основное содержание урока

Откроем учебники на странице 175 и подготовим в тетрадях бланк отчет о выполнении  лабораторной работы.

В тетрадях у вас должно быть указано: номер работы, название работы.

Цель работы

Приборы и материалы

Таблица заполняется по ходу выполнения работы. Результаты измерения записываем под схемой и делаем расчеты работы и мощности тока в лампе, работающей на доске.

Прежде, чем приступить к работе напомним правила техники безопасности:

1. собирать цепь при отключенном источнике питания;
2. соблюдать полярность подключения амперметра и вольтметра;  
3. собрав цепь, получить разрешение учителя на начало работы

3. Физкультминутка

Каждый ученик работает самостоятельно. Собрать электрический цепь по схеме:

Сделать вычисления по формулам P=J*U

A=J*U*t=P*t, t = 5  мин =300 с.

Вывод: Мы решили экспериментальную задачу.

Решать задачи можно вечно.

Вселенная ведь бесконечна

Спасибо всем за урок.

А главное, чтоб был он впрок!

Мне понравилось с вами сегодня работать! Спасибо.

Задача:  какое количество электрической энергии потребляет холодильник за 24 часа работы. Какова стоимость этой электроэнергии, если ее тариф 3,07 руб/кВт?»

Решение:

А =Р t =0,16кВт*24час = 3,84 кВт•час

 Стоимость = тариф *А =

=3,07руб/кВт•час•3,84кВт=11,79 руб.

Ответ: за сутки холодильник потребляет электроэнергии на сумму 11рублей 79 копеек.

4. Подведение итогов. Сегодня на уроке вы научились измерять и рассчитывать работу и мощность тока, а так же определять стоимость потраченной электрической энергии эти знания обязательно пригодятся вам в жизни.

5. Домашнее задание: параграфы № 50-51 – повторить, посчитать работу электрического тока у вас в доме за три дня и стоимость электроэнергии.