Бинарный урок по физике, информатике и технологии сварочного производства на тему "Закон Джоуля-Ленца"
методическая разработка по физике (10 класс) по теме

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

КГУ «Глубоковский технический колледж» управления образования ВКО

БИНАРНЫЙ УРОК

 ПО ФИЗИКЕ, ИНФОРМАТИКЕ И

ТЕХНОЛОГИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

тема: «Закон Джоуля - Ленца»

п. Верхнеберезовский

Цели урока:

Образовательные:

• сформировать у учащихся понятие о тепловом действии тока применении его в сварочном деле;
•  показать взаимосвязь физики и спецтехнологии;
• сформировать у учащихся умение решать физические задачи, используя среду электронной таблицы;
• закрепить умения и навыки учащихся: ввод и редактирование данных в таблицу, выполнение расчетов, построение графиков и диаграмм в среде Excel

Развивающие:

• формирование критического и творческого мышления;
• формирование умения практически применять знания, умения и навыки в различных ситуациях;
• развивать мыслительную деятельность учащихся;
• развивать познавательную деятельность учащихся;
• повышать интерес к выбранной профессии.

Воспитательные:

• формирование в сознании учащихся научной картины мира, самостоятельности и активности в учебном процессе;
• использование информационных технологий с целью повышения интереса к изучению физики.

Оборудование: интерактивная доска (или проектор с экраном), рабочие места учащихся с ПК, разработки лабораторной работы для учащихся, программное обеспечение: табличный процессор Excel, презентация в PowerPoint

Тип урока: урок изучения нового материала с использованием ИКТ.

Вид урока: интегрированный урок физики, спецтехнологии и информатики.

План урока:

Ход урока

1. Организационный момент

Учащиеся готовятся к уроку, достают письменные принадлежности.

1. Вводная часть

Преподаватель физики и информатики:

Физика – фундаментальная наука. В основе всех технических наук, так или иначе, лежат физические законы и явления. В настоящее время все больше и больше уделяется внимания подготовке высококвалифицированных специалистов, способных не только выполнять определенную работу, но и подходить к ней творчески. Каждый специалист должен уметь работать с необходимой для данной профессии техникой, а также понимать суть технологических процессов.

Сегодня у нас не совсем обычный урок. Во-первых, в нем соединены три предмета – физика, информатика и технология сварочного производства. На уроке мы познакомимся с тепловым действие электрического тока. Дадим формулировку закона Джоуля-Ленца.  Во-вторых, на сегодняшнем уроке мы покажем взаимосвязь физики и технологии сварочного производства.             И, в-третьих, научимся подбирать режимы сварки, рассчитывать количество теплоты при помощи возможностей пакета MS Excel.

Преподаватель спецтехнологии:

Сегодня мы научимся соединять знания  по физике, информатике и технологии сварочного производства. Мы поймем, откуда берется тепло и как оно расходуется при сварочных процессах. Узнаем, в каких количествах требуется тепло для сварки деталей различных сечений и различных материалов. Потренируемся рассчитывать параметры сварки в программе MS Excel.

Преподаватель физики и информатики:

Эпиграфом к нашему уроку можно взять слова Аристотеля "Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле". Сегодня на уроке мы еще раз должны подтвердить эти слова.

III. Актуализация знаний

Преподаватель физики и информатики:

Ребята, у вас на столах лежат опорные конспекты по теме нашего урока.

Сначала мы вместе восхитимся глубокими знаниями — а для этого выполним проверочную работу по теме «Работа и мощность электрического тока» с помощью индивидуальных карточек с  дифференцированными заданиями.

По результатам проверочной работы попробуем ответить на вопрос «Хорошо ли мы усвоили тему «Работа и мощность электрического тока»?».

Затем вытащим из тайников памяти кое-что ценное...  – в виде блицтурнира вспомним основные приемы работы с MS Excel.

Вопросы к группе:

1. Как запустить табличный процессор?
2. Ячейка. Как задать адрес ячейки?
3. Как ввести в ячейку формулу?
4. Как вставить диаграмму?
5. Как выбрать тип диаграммы?
6. Как вывести график и таблицу на печать?

IV. Объяснение нового материала.

Преподаватель физики и информатики

При введении понятия работы электрического тока мы уже пользовались, тепловым действием тока (нагревание проводников). Собираем электрическую цепь, в которую последовательно включаем лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем амперметр и вольтметр.

- 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.

Преподаватель спецтехнологии:

Тепловое действие тока используется не только в физике, но и в промышленности для обеспечения сварочных процессов. Нагрев обеспечивается за счет выделения тепла в месте контакта деталей при пропускании электрического тока. Как правило, нагрев свариваемых деталей ведут до расплавления металла, и лишь в некоторых случаях до пластического состояния. Выделение  тепла в месте контакта деталей при пропускании электрического тока обеспечивается за счет физического процесса носящего название закон Джоуля – Ленца. Но следует запомнить, что КПД этого процесса в сварке всего 24%.

Преподаватель физики и информатики

Вы уже знаете  формулу для работы A = UIt. Кроме того, вам известно, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, т. е. на то, чтобы увеличь их внутреннюю энергию.

Из закона Ома для участка цепи U = IR. Если это учесть, то Q = I2Rt.

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

Это и есть закон Джоуля – Ленца.

Необходимо заметить, что формулы Q = I2Rt, Q = UIt и Q = U2t/R, 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.

Преподаватель спецтехнологии:

Основную роль в сварочных процессах играет сила сварочного тока, например если увеличить силу тока в 2 раза, то количество тепла вырастет в 4 раза, значит можно уменьшить или время нагрева (сварки собственно) в 4 раза, или общее сопротивление зоны сварки в 4 раза.

При этом все тепло, которое выделится в результате физического процесса пойдет на процесс сварочный и  послужит созданию сварного соединения. Рассмотрим для примера такой вид сварки как контактная сварка.

Контактная сварка применяется в промышленности и строительстве  для соединения встык металлических стержней различного сложного сечения. Свариваются рельсы и трубы, коробчатый профиль и арматура. Можно соединять сталь и цветные металлы между собой. В общем-то, это единственный способ сварки разнородных материалов друг с другом с получением прочного сварного соединения.

Преподаватель физики и информатики

А сейчас мы посмотрим фрагмент фильма «Электрические явления».

 - Какой вывод вы можете сделать, просмотрев фрагмент данного фильма?

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

Преподаватель спецтехнологии:

- Скажите, ребята, как данные выводы можно использовать в сварке?

Ответ: Раз тепло используется в сварке, значит, чем больше сопротивление, тем больше он греется и, следовательно, качественнее сварится, меньше времени потребуется на процесс сварки. Изменяя сопротивление деталей можно управлять процессом сварки.

Преподаватель физики и информатики

- Скажите, ребята, как вы думаете, из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?

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

Сейчас мы с вами познакомимся с устройством лампы накаливания

Устройство лампы накаливания:

На рисунке изображена газонаполненная лампа накаливания. Концы спирали 1 приварены к двум проволокам, которые проходят сквозь стержень из стекла 2 и припаяны к металлическим частям цоколя 3 лампы: одна проволока — к винтовой нарезке, а другая — к изолированному от нарезки основанию цоколя 4. Для включения лампы в сеть ее ввинчивают в патрон. Внутренняя часть патрона содержит пружинящий контакт 5, касающийся основания цоколя лампы, и винтовую нарезку 6, удерживающую лампу. Пружинящий контакт и винтовая нарезка патрона имеют зажимы, к которым прикрепляют провода от сети.

Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники, тостеры, бойлеры и т.д.. В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки. В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, инкубаторы, сушат зерно.

Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (до 1000—1200 °С). Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца, известный под названием «нихром». Удельное сопротивление нихрома ρ= 1,1 Ом∙мм2/м что примерно в 70 раз больше удельного сопротивления меди. Большое удельное сопротивление нихрома дает возможность изготовлять из него весьма удобные — малые по размерам — нагревательные элементы.

V. Формирование умений и навыков.

А сейчас я предлагаю коллективно обсудить решения нескольких задач и ответить на вопросы:

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

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

- В чем проявляется тепловое действие тока? При каких условиях оно наблюдается?

- Почему при прохождении тока проводник нагревается?

- Почему, когда по проводнику пропускают электрический ток, проводник удлиняется?

А теперь мы решим 2 задачи с целью закрепления полученных знаний:

Задача №1

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

Задача №2

Какое  сопротивление  нужно  включить  в  сеть  с  напряжением 220 В, чтобы в нем за 10 мин выделилось 66 кДж теплоты?

VI.  Моделирование решения физической задачи с помощью MS Excel.

Преподаватель спецтехнологии:

С целью формирования умений и навыков предлагается задача по физике практической направленности – расчет параметров режима  контактной сварки,  и сравнения результатов расчета в графическом варианте.

Рассчитать параметры режима контактной сварки в MS Excel пользуясь разработкой лабораторной работы.

Условие:  Даны 2 прутка из низкоуглеродистой стали и 2 прутка из латуни. Геометрические параметры прутков  2,5х10 мм, 5х10 мм, 10х10 мм для каждого материала соответственно. Определить площадь поперечного сечения, силу сварочного тока, сопротивление на участке установочной длины, количество теплоты, выделившееся при сварке. При этом пользоваться таблицами, приведенными в лабораторной работе.

L1+ L2  - суммарная установочная длина, мм.

Сос - припуск на осадку, мм

Возможность  равномерно нагреть заготовки по всему сечению в прилегающих к стыку зонах и обеспечить возможность одинаковой пластической деформации обеих заготовок – достигается соблюдением равенства  L1= L2   при условии, что все остальные параметры подобраны, верно.

Преподаватель физики и информатики

Перед тем как вам приступить к выполнению задания на компьютере, давай вспомним правила техники безопасности при работе за персональным компьютером.

VII.  Подведение итогов

Преподаватель физики и информатики:

Давайте проанализируем полученные вами результаты. Какие еще данные можно извлечь, исходя из данных графических зависимостей?

Преподаватель спецтехнологии:

О чем свидетельствует диаграмма, полученная вами?

Вывод: Чем больше сечение стержня, тем больше требуется тепла для его сварки. Для сварки стали требуется тепла больше чем для сварки латуни.

Преподаватель физики и информатики:

В чем преимущества и недостатки оформления решения задач с помощью компьютера?

Выставление оценок.

VIII.  Домашнее задание:

Составьте модель решения следующей задачи с помощью табличного процессора MS Excel:

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

Преподаватель физики и информатики

Попова О.А.                                                                                                                      

Преподаватель спецтехнологии

Кимасов В.Б.

Опорный конспект

тема: «Закон Джоуля – Ленца»

Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле.

Аристотель

Задание 1.

В качестве данного задания учащимся предлагается индивидуальное дифференцированное задание.

           Дано:                        СИ                                   Решение:

Q = I2Rt -  закон Джоуля – Ленца: Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени

Так же при решении задач используются формулы: Q=UIt; Q=U2t/R.

Задание 2

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

          Дано:                          СИ                                   Решение:

Задание 3

Какое  сопротивление  нужно  включить  в  сеть  с  напряжением 220 В, чтобы в нем за 10 мин выделилось 66 кДж теплоты?

          Дано:                      СИ                                   Решение:

Задание 4

1) Откройте файл задача. xls, находящийся на рабочем столе, и сделайте математический расчет искомых величин.

а) расчет площади поперечного сечения заготовки;

б) подбор режима сварки по таблице 1;

в) расчет силы тока;

г) определение удельного сопротивления материалов по таблице 2.

д) расчет сопротивления свариваемой части заготовки.

е) расчет количества теплоты Q.

2) С помощью электронных таблиц Exсel  постройте

а) сравнительную диаграмму по рассчитанной величине  Q для углеродистой стали и латуни;

б) сравнительную диаграмму по рассчитанной величине R  для углеродистой стали и латуни;

в) сравнительную диаграмму по рассчитанной величине  I для углеродистой стали и латуни.

Дополнительное задание: отформатируйте полученные диаграммы, улучшив наглядное представление данных (формат осей, подписи данных шрифт, цвет, легенда).

Домашняя работа:

Составьте модель решения следующей задачи с помощью табличного процессора MS Excel:

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

Лабораторная работа

Цель: Изучение возможностей пакета MS Excel при решении задач по теме «Закон Джоуля-Ленца» для расчета количества теплоты и при подборе режима сварки. Приобретение навыков построения сравнительной диаграммы по заданным параметрам на плоскости средствами пакета.

Задание 1. Подбор режима сварки для углеродистой стали.

а) Рассчитайте площадь поперечного сечения свариваемого образца по формуле S=a*b, с этой целью в ячейку А2 введите S=, а в ячейку В2   = a*b (вместо а необходимо ввести ширину детали, а вместо b – длину детали).

б) По таблице 1  подберите режим сварки соответствующий площади поперечного сечения заготовки.

Таблица 1

в) Сила тока рассчитывается по формуле  I = i*S, где I-сила тока;  i- плотность тока; S-площадь поперечного сечения.

Введите в ячейку А4  I=, а в ячейку В4  = i*S.

Задание 2. Расчет количества теплоты Q  по закону Джоуля-Ленца

а)   По таблице 2 найдите удельное сопротивление материала ρ, из которого изготовлена  заготовка. Данная величина необходима для расчета сопротивления свариваемой части заготовки.

Сопротивление рассчитывается по формуле                    , где l – установочная длина на обе заготовки (берется из таблица 1, соответственно площади поперечного сечения);

 S - площадь поперечного сечения заготовки;   ρ - удельное сопротивление материала заготовки;    R - сопротивление заготовки.

Таблица 2

Удельное электрическое сопротивление материалов при температуре

б)  Введите в ячейку А6 R=, а в ячейку В6  =ρ*(l/S).

в) Для расчета количества Q введите в ячейку А8 Q=,  а в ячейку В8 =(I^2)*R*t.

Задание 3. Подбор режима сварки для латуни

Алгоритм подбора режима сварки для латуни аналогичен описанному выше для углеродистой стали.

а) Так как размеры заготовки остаются неизменными, то и площадь поперечного сечения уже рассчитана.

б) По таблице 1  подберите режим сварки соответствующий площади поперечного сечения заготовки.

в) Сила тока рассчитывается по формуле  I = i*S, где I-сила тока;  i- плотность тока; S-площадь поперечного сечения.

Задание 4. Расчет количества теплоты Q  по закону Джоуля-Ленца

Алгоритм расчета количества теплоты для латуни аналогичен описанному выше для углеродистой стали.

Задание 5. Построение сравнительных  диаграмм для углеродистой стали и латуни по параметрам Q, R, I.

а) Сформируйте

б) Для построения диаграмм воспользуйтесь Мастером диаграмм.

Выберите тип диаграммы «Гистограмма».

в) Аналогичным образом постройте сравнительные диаграммы для углеродистой стали и латуни по параметрам Q, R, I.

Дополнительное задание: отформатируйте полученные диаграммы, улучшив наглядное представление данных (формат осей, подписи данных шрифт, цвет, легенда).

Уровень А

Вариант 1

При напряжении 300 В сила тока в электродвигателе 60 А. Определите мощность тока в обмотке электродвигателя и его сопротивление.

Уровень А

Вариант 2

Какую работу совершит ток в электродвигателе за 20 с, если при напряжении 220 В сила тока в обмотке двигателя равна 0,1 А

Уровень А

Вариант 3

Какую работу совершает ток в электродвигателе за 1 с, если при напряжении 220 В сила тока в двигателе равна 0,2 А

Уровень А

Вариант 4

Определите мощность тока в электрической лампочке, если при напряжении 10 В сила тока в ней 1 А

Уровень А

Вариант 5

При  сопротивлении 5 Ом сила  тока в электродвигателе 80 А. Определите мощность тока в обмотках электродвигателя.

Уровень В

Вариант 1

При  сопротивлении 5 Ом сила  тока в электродвигателе 80 А. Определите мощность тока в обмотках электродвигателя.

Уровень В

Вариант 2

Два резистора имеют сопротивления по 1 Ом. Какова будет мощность тока, если подключить к источнику постоянного напряжения 1 В два резистора последовательно? Два резистора параллельно? Один резистор?

Уровень В

Вариант 3

Две электрические лампы сопротивлением 100 и 300 Ом включены в сеть: а) последовательно, б)  параллельно. Какая из ламп потребляет большую мощность и во сколько раз?

Уровень В

Вариант 4

Электродуговая печь потребляет ток силой 200 А от сети с напряжением 220 В. Последовательно с печью включен ограничивающий резистор сопротивлением 0,2 Ом. Определите мощность, потребляемую печью.

Уровень В

Вариант 5

При напряжении 120 В в электрической лампе накаливания за 0,5 мин израсходована 0,9 кДж электроэнергии. Определите силу тока, проходящего по спирали лампы.

Уровень С

Вариант 1

Электрическая плитка мощностью 550 Вт для сети с напряжением 220 В была включена в сеть с напряжением 127 В. Какая мощность потребляется плиткой при таком включении?

Уровень С

Вариант 2

Три лампы накаливания, имеющие одинаковые сопротивления, включены в  сеть постоянного тока. Определите  отношение мощностей, потребляемых первой и второй лампами.

Уровень С

Вариант 3

Определите КПД электрического двигателя, который при напряжении 220В и силе тока 2 А за 30 с поднимает груз массой 100 кг на высоту 10 м.

Уровень С

Вариант 4

При ремонте электрической плитки спираль была укорочена на 0,1 первоначальной длины. Во сколько раз изменилась мощность плитки?

Уровень С

Вариант 5

Электродвигатель подъемного крана работает под напряжением 380 В, при этом сила тока в его обмотке  равна 20 А. Каков КПД установки, если груз массой 1 т кран  поднимает на высоту 19 м за 50 с?