18. Лабораторная работа № 3. Измерение мощности и работы тока в электрической лампе

Работа и мощность тока

Здравствуйте!

Ещё совсем недавно основным средством передвижения для большинства людей были лошади. Лошади для передвижения нужна энергия. Откуда она её получает? Из пищи, так же как и человек. Лошадь ест сено, которое в её организме в результате различных химических процессов превращается в запасы энергии, и лошадь получает возможность совершать работу.

На смену лошадям пришли автомобили, но до сих пор мощность двигателя измеряют в лошадиных силах. В качестве источника энергии для автомобиля выступает топливо, чаще всего бензин. При сгорании он выделяет энергию, которая расходуется на движение автомобиля.

Сегодня на дорогах наряду с обычными автомобилями всё чаще можно встретить электромобили. Они перемещаются за счёт энергии, которая запасена в аккумуляторах (в этом смысле они работают ровно так же, как и, например, смартфон). Пока энергии хватает, то есть аккумулятор заряжен, — смартфон работает, а электромобиль едет. Спустя время необходимо пополнить запасы энергии, то есть зарядить аккумулятор, чтобы автомобиль мог продолжать двигаться. В сене и бензине уже запасена энергия, то есть они сами по себе являются топливом, при этом — одноразовым топливом. Аккумулятор же правильнее сравнить с бензобаком — его нужно периодически наполнять топливом, для чего мы подключаем его к розетке.

Откуда же в розетке берётся энергия? Конечно, сама по себе розетка не производит энергию. К розеткам подведены провода, которые тянутся по всему дому. К дому идут провода от линий электропередач (ЛЭП). Но всё это имеет отношение к передаче энергии. Энергию производят на электростанциях, используя в качестве источника энергию от сжигания топлива, чаще угля или природного газа, — по такому принципу работают тепловые электростанции (ТЭС). Можно использовать энергию движения воды — так работают гидроэлектростанции (ГЭС) — или других природных явлений: ветра, солнца. А можно использовать энергию ядерных реакций — именно таков принцип работы атомных электростанций (АЭС). Мы сейчас не будем подробно останавливаться на различиях в способах генерации (или производства) энергии. Нас будут интересовать характеристики произведённой электроэнергии.

В каждом из рассмотренных примеров ключевым фактором была энергия. О получении энергии из пищи вы подробнее узнаете на уроках биологии («Энергозатраты человека и пищевой рацион»). В курсе физики вы уже познакомились с тепловой энергией: её измерением, расчётом количества теплоты при сгорании топлива, с КПД тепловых машин. Подробнее о производстве электроэнергии вы узнаете в старших классах, когда изучите электромагнитные явления.

На этом занятии мы поговорим о потреблении электроэнергии. Конечно, речь пойдёт не только об электромобилях. Жизнь современного человека немыслима без множества электроприборов, которые для своей работы используют электроэнергию. Поэтому нужно знать, какие у них ключевые характеристики и как они расходуют электрическую энергию.

Вы уже знаете, что потребляемая электроэнергия — это работа электрического поля по перемещению заряда внутри проводника с током, или просто работа тока. Это будет первая характеристика, которую мы будем измерять в сегодняшней работе.

В приборах электрическая энергия преобразуется в нужную нам энергию (полезную энергию), например в тепловую энергию для кипячения воды или в световую энергию для освещения рабочего стола. Значит, расчёт электроэнергии позволит определить величину этой полезной энергии. Также расчёт потреблённой электроэнергии позволит посчитать её стоимость.

Ещё одна ключевая характеристика — это мощность, работа за единицу времени. Ведь прибор можно включить на минуту, а можно на час. Потреблённая электроэнергия, очевидно, будет разной.

С мощностью электроприборов вы, вероятно, часто встречались. Выбирая фен для волос, мама может сказать что-то вроде: «Нужно брать этот, он мощнее». Интуитивно мы понимаем, что тот фен, который хочет мама, будет сушить волосы быстрее, а более мощный пылесос будет лучше втягивать пыль. Однако папа в ответ на этот довод может возразить, что такие приборы увеличат плату за электроэнергию, если мы будем часто их использовать.

Из теоретического урока вы уже знаете, что в данном случае речь идёт о номинальной мощности, то есть мощности тока в случае работы прибора при заданном номинальном напряжении.

Таким образом, в лабораторной работе мы с вами будем учиться измерять две основные величины: работу тока и мощность тока. Сделаем это на примере самого простого прибора — электрической лампы.

Модель эксперимента

Для того чтобы правильно смоделировать эксперимент, вспомним некоторые теоретические сведения по теме «Постоянный ток».

1. Чтобы измерить характеристики тока в электрической лампе, следует этот ток создать. Значит, нужен источник тока (рис. 1) и соединительные провода, чтобы цепь была замкнутой.

Изображение / Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

2. Вспомним, что понимают под термином «работа тока».

Работа  электрического тока на участке цепи определяется произведением напряжения  на концах этого участка, силы тока  в цепи и времени , в течение которого совершалась работа:

.

Чтобы измерить напряжение, понадобится вольтметр (рис. 2), его подключим параллельно лампе. Для измерения силы тока нужен амперметр (рис. 3) — он подключается последовательно с лампой. Для измерения времени возьмём секундомер (рис. 4).

Изображение / Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

Изображение / Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

Изображения используются согласно лицензии Shutterstock / FOTODOM

Для безопасности добавим в электрическую цепь ключ (рис. 5) — это поможет сначала собрать цепь, а потом уже замкнуть её. В итоге получим электрическую цепь, схему которой вы видите на рисунке 6.

Изображение / Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

Иллюстрация / Иллюстратор Гурьева Е. С.

3. Вспомним, что такое мощность тока.

Мощностью  называют физическую величину, численно равную работе, совершённой в единицу времени:

.

Подставив формулу для работы тока на участке цепи, получим формулу для мощности:

.

Итак, для определения мощности тока нам нужны те же данные, что и для измерения работы тока, и даже меньше. Поэтому для упрощения расчётов немного изменим порядок нахождения величин. Сначала, измерив напряжение и силу тока, вычислим мощность:

.

А затем, умножив мощность на время, найдём работу тока:

.

Итак, мы определились с моделью эксперимента и получили рабочие формулы, по которым будем проводить вычисления. Можем приступать к выполнению лабораторной работы.

Выполнение лабораторной работы

Тема лабораторной работы: «Измерение мощности и работы тока в электрической лампе».

Сформулируем цель работы, иначе её проведение бессмысленно.

Цель: научиться определять мощность и работу тока в лампе, используя амперметр, вольтметр и секундомер.

Для проведения лабораторной работы нам понадобятся:

• источник питания;

• низковольтная лампа на подставке (рис. 7);

• вольтметр;

• амперметр;

• ключ;

• соединительные провода;

• секундомер.

Записываем их в графу «Приборы и материалы».

Изображение / Моушн-дизайнер Лопатин М. С.

Обратите внимание, что на лампе написано 4,8 В — это номинальное напряжение, на которое рассчитана лампа. Источник питания у нас на 4,5 В, так что лампу к нему можно подключать, она не перегорит.

Ход выполнения работы мы уже обсудили, будем ему следовать.

Создадим таблицу, в которую будем записывать результаты измерений и фиксировать в ней результаты вычислений.

Соберём цепь из последовательно соединённых источника питания, лампы, амперметра и ключа. Вольтметр, как мы обсудили, подключаем параллельно лампе. Важно помнить о том, что в процессе сборки ключ должен быть разомкнут!

Мы видим, что на наших приборах есть по 3 разъёма для подключения соединительных проводов. Один из них обозначен как «минус» — он определяет полярность подключения прибора. «Минус» прибора должен быть подключен к «минусу» источника тока.

На двух других разъёмах — подписи, которые соответствуют максимальным значениям величин на шкалах приборов. Поскольку мы заранее не знаем, какими будут показания приборов, то выберем шкалы с бóльшим диапазоном и вставим провода в соответствующие разъёмы.

Прежде чем замкнуть цепь, убедимся, что все приборы показывают 0. Если это не так, то их нужно откалибровать.

Замыкаем ключ и смотрим показания приборов. На амперметре смотрим на верхнюю шкалу, его показания — 0,4 А. На вольтметре также смотрим верхнюю шкалу, показания — 4 В.

Это больше, чем предел измерений по второй шкале. Поэтому если бы мы включили вольтметр через другой разъём, то его показания бы зашкаливали. А вот для амперметра можно провести более точное измерение, поскольку 0,4 А входят в предел измерений по второй шкале.

В целях безопасности размыкаем ключ. Переключаем амперметр на другую шкалу и снова замыкаем. Смотрим на показания теперь уже по нижней шкале — всё те же 0,4 А.

Внесём полученные значения в таблицу: .

Используя формулу , вычислим мощность тока в лампе:

.

Теперь вычислим работу тока в лампе. Для этого используем секундомер и будем измерять работу в течение 60 секунд. Включаем лампу и секундомер одновременно.

По истечении времени так же одновременно выключаем.

Определим работу тока в лампе по формуле:

.

Итак, мы получили требуемые значения. Перейдём к выводам:

• в ходе выполнения лабораторной работы мы научились определять мощность тока и работу тока в лампе за определённый промежуток времени;

• также мы научились собирать электрическую цепь, правильно подключать вольтметр и амперметр к лампе.

Выводы. Дополнительные расчёты

Эта лабораторная работа носит в основном демонстрационный характер: чтобы показать, как выглядят электрические цепи, как они работают, как проводятся измерения. Именно поэтому амперметр, вольтметр, ключ и соединительные провода выглядят так.

В реальных электрических схемах они выглядят намного компактнее. Для удобства использования амперметр и вольтметр объединяют в одно устройство — мультиметр. Он позволяет измерить сразу несколько характеристик участка цепи в различных диапазонах значений. При этом суть составления цепи и схема подключения приборов не меняется: для измерения силы тока мультиметр нужно подключать последовательно, для измерения напряжения — параллельно, соблюдая полярность.

Чтобы добавить больше практической значимости к результатам лабораторной работы, проведём дополнительные расчёты.

Мы получили мощность тока в лампе 1,6 Вт. Но нельзя сказать, что это мощность лампы. Под мощностью прибора обычно понимают его номинальную мощность, то есть мощность при номинальном напряжении. Давайте узнаем номинальную мощность этой лампы.

Можно было бы подобрать такой источник тока, при котором напряжение на лампе было бы равно номинальному (4,8 В). Это был бы экспериментальный путь. А можно теоретически вычислить это значение.

Составим задачу на основе известных нам данных.

Номинальное напряжение равно 4,8 В. При напряжении 4 В сила тока в лампе равна 0,4 А. Нужно определить номинальную мощность.

Вспомним, что характеристикой прибора, которая не зависит от параметров цепи, является сопротивление. Поэтому запишем формулу для мощности через напряжение и сопротивление:

.

Сопротивление можем найти из результатов эксперимента:

.

Тогда номинальная мощность лампы:

.

Конечно, обычно такие расчёты не требуется проводить вручную — на лампах и других приборах сразу пишут номинальную мощность, рассчитанную заранее.

На основе полученных данных мы также можем рассчитать стоимость работы лампы. Мы знаем, что работа тока составила 96 Дж. Стоимость джоуля энергии при работе от аккумулятора будет сложно оценить, поэтому будем считать, что лампа была подключена в электросеть. Возьмём приблизительное значение 6 рублей за кВт·ч. Переведём джоули в киловатт-часы:

.

Тогда стоимость составит .

То есть за горение такой лампы в течение 1 часа (вместо 1 минуты) мы бы заплатили всего 1 копейку.

Для бытовых приборов подобный расчёт намного проще. Например, если пылесос с потребляемой мощностью  будет работать в течение часа, то он потратит  энергии, и за это нужно будет заплатить , то есть 9 рублей.

На этом урок окончен, спасибо за внимание!

Список литературы

1. Пурышева Н. С. Физика. 8 класс: учебник / Н. С. Пурышева, Н. Е. Важеевская. — М.: Просвещение/Дрофа, 2021. — 258 с.

2. Генденштейн Л. Э. Физика. 8 класс / Л. Э. Генденштейн, А. Б. Кайдалов, В. Б. Кожевников; под ред. В. А. Орлова, И. И. Ройзена. — М.: Мнемозина, 2012. — 272 с.

3. Физика. 8 класс / А. А. Фадеева, Д. Ф. Киселев, А. В. Засов, Э. В. Кононович; под ред. А. А. Фадеевой. — М.: Просвещение, 2002. — 239 с.

4. Перышкин А. В. Физика, 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений / А. В. Перышкин. — М.: Дрофа, 2013. — 237 с.

5. Белага В. В. Физика. 8 класс / В. В. Белага, И. А. Ломаченков, Ю. А. Панебратцев. — М.: Просвещение, 2017. — 159 с.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

1. Интернет-портал «youtube.com» (Источник).

2. Интернет-портал «youtube.com» (Источник).

3. Интернет-портал «youtube.com» (Источник).

4. Интернет-портал «youtube.com» (Источник).

5. Интернет-ресурс «Класс!ная физика» (Источник).

6. Интернет-портал «k2x2.info» (Источник).

Домашнее задание

1. Оцените сопротивление лампы, рассчитанное на номинальное напряжение 220 В при номинальной мощности 60 Вт.

2. Как изменится мощность тока в лампе при увеличении напряжения на её контактах в 4 раза? Безопасно ли такое увеличение напряжение для работы лампы? На какие её параметры следует обратить внимание?

3. Почему следует выбирать режимы измерения приборов таким образом, чтобы измеряемая величина приходилась на центральную область диапазона измерения? На что влияет такой подход? Ответ обоснуйте.