УСІ УРОКИ ФІЗИКИ 11 клас
АКАДЕМІЧНИЙ РІВЕНЬ

1-й семестр

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

2. Електричний струм

УРОК 7/18

Тема. Коефіцієнт корисної дії джерела струму

Мета уроку: ознайомити учнів з методикою розв'язання завдань на роботу й потужність електричного струму, розрахунок кількості теплоти, що виділилася в провіднику.

Тип уроку: урок вивчення нового матеріалу.

ПЛАН УРОКУ

ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. У якому випадку на зовнішній частині кола виділяється максимальна потужність?

Для визначення залежності P(I) — потужності, споживаною зовнішньою частиною кола, — від сили струму розглянемо електричне коло, що складається із джерела струму із внутрішнім опором r і ЕРС , замкнутого на зовнішнє навантаження з опором R.

Помножимо обидві частини формули  на значення сили струму I:  — повна потужність, яку розвиває джерело струму; I2R = P — потужність, споживана зовнішньою частиною кола; I2r = Рв — потужність, споживана внутрішньою частиною кола. Отже, потужність, споживана зовнішньою частиною кола, дорівнює:

Графік залежності P(I) — парабола.

Аналіз отриманої залежності показує, що потужність, споживана зовнішньою частиною кола, за сил струму I1 = 0 й  дорівнює нулю (Р = 0), а за сили струму  має максимальне значення

Після підстановки  у формулу, що виражає закон Ома для повного кола, одержуємо:  Звідси випливає, що максимальну потужність споживає зовнішнє навантаження у випадку, коли R = r.

2. Коефіцієнт корисної дії джерела струму

ККД джерела струму визначають як відношення потужності P, споживаної зовнішньою частиною кола (корисна потужність), до повної потужності Pn, яку розвиває джерело струму:

Після підстановки  одержуємо:

Якщо в зовнішній частині кола вся енергія перетворюється тільки у внутрішню, то, підставивши U = IR й  = I(R + r), одержуємо:  Розділивши чисельник і знаменник на R, маємо:

Графік залежності η(R) при r = const зображений на рисунку:

Аналіз формули й графіка показує, що η  1, коли r/R << 1. Тобто для збільшення ККД джерела необхідно за можливості зменшувати його внутрішній опір.

У випадку короткого замикання (R  0) η  0, тобто вся потужність споживається усередині джерела струму. Це може призвести не тільки до перегрівання внутрішніх частин джерела й виходу його з ладу, але й до пожежі. Тому короткі замикання недопустимі.

ЗАКРІПЛЕННЯ ВИВЧЕНОГО МАТЕРІАЛУ

1). Якісні питання

1. У мережу паралельно увімкнені дві лампи. Опір однієї з ламп більший від іншої. У якій з ламп виділиться більша кількість теплоти за однаковий час?

2. Як треба з’єднати обмотки двох нагрівачів, опущених у склянку з водою, щоб вода скоріше закипіла?

3. Чому електричні лампи накалювання частіше перегоряють під час вмикання й дуже рідко — за вимикання?

Розв'язання. Під час увімкнення, коли нитка лампи ще не нагрівся, її опір набагато менший від опору в робочому режимі. Тому сила струму дуже значна й ділянки нитки, товщина яких найменша, нагріваються до температури, що перевищує робочу: адже в цих ділянок більший електричний опір і менша площа поверхні.

2). Навчаємося розв'язувати задачі

1. У випадку підключення електромотора до джерела електричного струму з ЕРС 120 В напруга на клемах джерела дорівнює 96 В. Загальний опір підвідних проводів і джерела струму дорівнює 14 Ом. Яку корисну потужність розвиває електромотор, якщо його ККД становить 65 %? Втрату потужності на обмотках електромотора можна не враховувати.

Розв'язання. Повна потужність Pn, яку розвиває джерело струму, дорівнює сумі механічної потужності P й потужності PH, яка витрачається на нагрівання провідників: Pn = P + PH.

З урахуванням того, що  одержуємо:

Оскільки ККД двигуна дорівнює  де Pnoл — корисна потужність, яку розвиває електромотор, то

Із закону Ома маємо:  Звідси:

Після підстановки вираження для сили струму (1) з урахуванням (2) одержуємо: Визначаємо шукану величину:

2. Визначте ККД електричного двигуна, що за напруги 220 В і сили струму 2 А за 30 с піднімає вантаж масою 100 кг на висоту 10 м.

3. З якого матеріалу може бути виготовлена спіраль нагрівального елемента потужністю 480 Вт, якщо довжина проводу 15 м, площа його поперечного перерізу 0,21 мм2 , а напруга в мережі 120 В?

4. У нагрівальному приладі дві обмотки. Під час увімкнення тільки першої обмотки потужність приладу дорівнює 100 Вт, а в разі увімкнення тільки другої — 300 Вт. Якою буде потужність приладу у разі увімкнення двох обмоток: а) паралельно; б) послідовно?

Домашнє завдання

1. Підр-1: § 12 (п. 3, 4, 5); підр-2: § 6 (п. 3).

2. Зб.:

Рів1 № 5.13; 5.14; 5.16; 5.17.

Рів2 № 5.28; 5.29; 5.30; 5.31.

Рів3 № 5.32; 5.33; 5.62; 5.64.

3. Д: підготуватися до самостійної роботи № 3.

ЗАВДАННЯ ІЗ САМОСТІЙНОЇ РОБОТИ № 3 «ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ»

Завдання 1 (1,5 бала)

На рисунку наведені графіки залежності сили струму від напруги для двох провідників.

А Опір провідника І більше від 8 Ом.

Б Опір провідника ІІ менше від 6 Ом.

В Опір провідника І менше, ніж опір провідника ІІ.

Г Опори обох провідників однакові.

Завдання 2 (2,5 бала)

На рисунку наведена схема електричного кола. Якщо ключ замкнено, показання амперметра дорівнюють 2 А.

А У разі замкнутого ключа показання вольтметра дорівнює 9 В.

Б У разі розімкнутого ключа показання вольтметра більше ЕРС джерела.

В Внутрішній опір джерела струму менше від 1 Ом.

Г У разі короткого замикання сила струму через джерело більша від 5 А.

Завдання 3 (3 бали)

Завдання 3 має на меті встановити відповідність (логічну пару). До кожного рядка, позначеного буквою, підберіть твердження, позначене цифрою.

А Робота струму.

Б Потужність струму.

В Закон Джоуля-Ленца.

Г Електрорушійна сила джерела.

1 Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи струму до часу, протягом якого вона відбувалася.

2 Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи сторонніх сил з переміщення заряду уздовж контуру до величини цього заряду.

3 Фізична величина, що дорівнює добутку сили струму, напруги й часу, протягом якого відбувалася робота.

4 Фізична величина, що дорівнює відношенню ЕРС джерела до повного опору кола.

5 Кількість тепла, що виділяється в провіднику під час проходження через нього електричного струму, пропорційна опору провідника, квадрату сили струму в колі й часу проходження струму.

Завдання 4 (5 балів)

ЕРС батарейки від кишенькового ліхтаря дорівнює 3,7 В, внутрішній опір — 1,5 Ом. Батарейка замкнута на опір 11,7 Ом. Яка напруга на затискачах батарейки?