Перейти к содержанию

Закон Джоуля — Ленца

Почему проводник нагревается электрическим током, как количество теплоты зависит от квадрата силы тока, сопротивления и времени и когда применять Q = I²Rt.

Открыт · Презентация · Методичка

Конспект урока

Тонкая проволока подключена к безопасному низковольтному источнику. Через некоторое время она нагревается. Если увеличить силу тока вдвое, во сколько раз изменится количество теплоты за то же время: в два или в четыре раза?

Низковольтная установка показывает тепловое действие тока

Это учебная иллюстрация безопасной демонстрации, а не результат измерения. Реальную цепь включает учитель после проверки.

Сначала прогноз. Выбери ответ и объясни его до чтения формулы. В конце урока сравни прогноз с расчётом.

Что наблюдаем и что объясняем

Проходя через металлический проводник, электрический ток может увеличивать его внутреннюю энергию. Проводник нагревается и передаёт энергию окружающим телам. Это тепловое действие электрического тока.

На уровне школьной модели направленное движение зарядов происходит в веществе, частицы которого взаимодействуют и колеблются. Электрическая энергия переходит во внутреннюю энергию проводника. Рисунок помогает представить модель, но не является фотографией частиц.

Модель преобразования электрической энергии во внутреннюю

Когда работа тока становится количеством теплоты

Из урока о работе тока:

A=UIt.A=UIt.

Если на рассматриваемом участке электрическая энергия превращается только во внутреннюю энергию, то количество выделившейся теплоты равно работе электрических сил:

Q=A=UIt.Q=A=UIt.

По закону Ома U=IRU=IR. Подставим это выражение:

Q=IIRt,Q=I\cdot IR\cdot t, Q=I2Rt.\boxed{Q=I^2Rt}.

Это выражение называют законом Джоуля — Ленца.

Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Почему квадрат силы тока так важен

При одинаковых RR и tt:

QI2.Q\sim I^2.

Если сила тока увеличилась вдвое, то

Q2Q1=(I2I1)2=22=4.\frac{Q_2}{Q_1}=\left(\frac{I_2}{I_1}\right)^2=2^2=4.

Значит, теплота увеличивается не в два, а в четыре раза. Именно поэтому чрезмерный ток опасен для проводов и почему цепь должна иметь защиту.

Единицы проверяют расчёт

1 А21 Ом1 с=1 Вт1 с=1 Дж.1\ \text{А}^2\cdot1\ \text{Ом}\cdot1\ \text{с} =1\ \text{Вт}\cdot1\ \text{с} =1\ \text{Дж}.

Минуты перед подстановкой переводят в секунды. Например, 3,0 мин=180 с3{,}0\ \text{мин}=180\ \text{с}.

План контролируемого сравнения

Чтобы проверить влияние силы тока, проводят два последовательных опыта: изменяют только II, а сопротивление RR и время tt сохраняют одинаковыми. Одинаковыми должны быть также сосуды, масса воды и начальная температура. Вывод опирается на измерения или заданные данные, а не на картинку.

Два одинаковых калориметра для сравнения теплового действия тока

Это иллюстрация компоновки, а не схема соединения и не источник показаний. В кабинете используют только исправное низковольтное оборудование под контролем учителя.

Используй модельные данные:

РежимII, АRR, Омtt, сQ=I2RtQ=I^2Rt, Дж
10,200{,}2015156060
20,400{,}4015156060
  1. Вычисли Q1Q_1 и Q2Q_2.
  2. Найди отношение Q2/Q1Q_2/Q_1.
  3. Назови изменяемую и сохраняемые величины.
  4. Сформулируй вывод без слова «всегда»: укажи условия сравнения.

Разобранный пример

Через нагревательный элемент сопротивлением R=12 ОмR=12\ \text{Ом} проходит ток I=0,50 АI=0{,}50\ \text{А} в течение t=3,0 минt=3{,}0\ \text{мин}. Найдём количество теплоты.

t=3,060=180 с,t=3{,}0\cdot60=180\ \text{с}, Q=I2Rt=(0,50)212180=540 Дж.Q=I^2Rt=(0{,}50)^2\cdot12\cdot180=540\ \text{Дж}.

Проверка другим маршрутом:

P=I2R=3 Вт,Q=Pt=3180=540 Дж.P=I^2R=3\ \text{Вт},\qquad Q=Pt=3\cdot180=540\ \text{Дж}.

Совпадение результатов подтверждает вычисление, но не заменяет проверку условий применимости.

Как выбрать форму закона

Используя закон Ома, можно получить ещё две записи:

Q=UIt,Q=U2Rt.Q=UIt,\qquad Q=\frac{U^2}{R}t.
  • при одинаковых силе тока и времени удобно сравнивать по Q=I2RtQ=I^2Rt: большее RR даёт большее QQ;
  • при одинаковых напряжении и времени удобно сравнивать по Q=U2t/RQ=U^2t/R: меньшее RR соответствует большему току и большему QQ;
  • прежде чем говорить «чем больше сопротивление, тем сильнее нагрев», обязательно назови, что сохраняется одинаковым.

Полезное действие и защита

В нагревательном приборе тепловое действие используют специально. В плавком предохранителе чрезмерный ток быстро нагревает тонкую вставку; она разрывает цепь и помогает предотвратить опасный перегрев проводов.

Объясни с помощью Q=I2RtQ=I^2Rt, почему даже сравнительно небольшое увеличение силы тока резко ускоряет нагрев плавкой вставки.

Нагревательный элемент и работа плавкого предохранителя

Не исследуй бытовую сеть самостоятельно. Не касайся нагретых элементов, не замыкай выводы источника и не меняй цепь при замкнутом ключе.

Найди ошибки до открытия ответа

Ошибочное решениеЧто проверить
Q=IRtQ=IRtКуда исчез квадрат силы тока?
2 мин=2 с2\ \text{мин}=2\ \text{с}В какой единице подставляют время?
Q=(0,3)220120=216 ВтQ=(0{,}3)^2\cdot20\cdot120=216\ \text{Вт}Какая величина найдена и какова её единица?
«При удвоении II теплота удвоилась»Как изменяется I2I^2?

Проверь себя

  1. Сформулируй закон Джоуля — Ленца и назови условия центрального сравнения.
  2. Почему из Q=UItQ=UIt можно получить Q=I2RtQ=I^2Rt?
  3. Во сколько раз изменится QQ, если II увеличить в три раза при тех же RR и tt?
  4. Найди QQ при I=0,30 АI=0{,}30\ \text{А}, R=20 ОмR=20\ \text{Ом} и t=2,0 минt=2{,}0\ \text{мин}.
  5. Как изменится ответ задачи 4, если сила тока станет 0,60 А0{,}60\ \text{А}?
  6. Почему формула Q=I2RtQ=I^2Rt не означает, что работа любого электрического устройства полностью превращается в теплоту?

Итог

  • Тепловое действие тока связано с переходом электрической энергии во внутреннюю энергию проводника.
  • Для резистивного участка Q=I2RtQ=I^2Rt.
  • При одинаковых RR и tt количество теплоты пропорционально I2I^2.
  • Условия сравнения определяют, как трактовать влияние сопротивления.
  • Чрезмерный ток опасен; цепи собирают и изменяют только при разомкнутом ключе.

Ответы

Стартовый прогноз: при одинаковых RR и tt удвоение силы тока увеличивает количество теплоты в четыре раза.

Центральное сравнение:

Q1=(0,20)21560=36 Дж,Q_1=(0{,}20)^2\cdot15\cdot60=36\ \text{Дж}, Q2=(0,40)21560=144 Дж.Q_2=(0{,}40)^2\cdot15\cdot60=144\ \text{Дж}.

Q2/Q1=4Q_2/Q_1=4. Изменялась сила тока; сопротивление и время сохранялись одинаковыми.

  1. Q=I2RtQ=I^2Rt; в центральном сравнении одинаковы RR и tt.
  2. На резистивном участке Q=A=UItQ=A=UIt, а по закону Ома U=IRU=IR.
  3. В 32=93^2=9 раз.
  4. t=120 сt=120\ \text{с}; Q=(0,30)220120=216 ДжQ=(0{,}30)^2\cdot20\cdot120=216\ \text{Дж}.
  5. Ток увеличен вдвое, поэтому QQ увеличится в четыре раза: 864 Дж864\ \text{Дж}.
  6. У двигателя или другого преобразователя часть электрической энергии может переходить в механическую, химическую или иные формы; равенство Q=AQ=A требует оговорённого резистивного режима.

Диагностика: в первой строке потерян квадрат; во второй 2 мин=120 с2\ \text{мин}=120\ \text{с}; в третьей единица — джоуль; в четвёртой не учтена квадратичная зависимость.

Материалы урока

Скачать и открыть

Учителю

2 материала

Презентация · для учителей

Презентация «Закон Джоуля — Ленца»

Исследовательский урок: тепловое действие тока, вывод Q=I²Rt, контролируемое сравнение при одинаковых R и t, единицы, применения и электробезопасность.

Скачать PPTX

Методичка · для учителей

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

Урок открытия знания: тепловое действие тока, вывод Q=I²Rt, безопасное контролируемое сравнение, расчёт, рабочий лист, ключи и адаптация.

Скачать DOCX

Поурочное планирование и опорная схема (РБ)

DOCX

Комментарии

Войдите, чтобы оставлять комментарии.

Пока нет комментариев. Будьте первым!