Для всех учителей из 37 347 образовательных учреждений по всей стране

Скидка до 75% на все 778 курсов

Выбрать курс
Получите деньги за публикацию своих
разработок в библиотеке «Инфоурок»
Добавить авторскую разработку
и получить бесплатное свидетельство о размещении материала на сайте infourok.ru
Инфоурок Физика Научные работыСпецифика подготовки учащихся к участию в региональной политехнической олимпиаде

Специфика подготовки учащихся к участию в региональной политехнической олимпиаде

библиотека
материалов


Изучение закона Джоуля-Ленца и применение его в быту.




































Автор: ученик 11 «Б» класса МБОУ гимназии №8 Г.Тихорецка

Русанов Илья Александрович.

Научный руководитель: Соловьева Елена Александровна, учитель физики в МБОУ гимназии №8 г.Тихорецка





Для региональной политехнической олимпиады школьников 2015-2016 года.





Аннотация:

Цель работы: изучить в теории и научиться применять в быту закон Джоуля – Ленца.

Актуальность работы состоит в том, что она помогает наглядно увидеть тепловое действие тока на проводник и понять устройство электронагревательных приборов.

Новизна работы состоит в том, что в ней будут описаны способы создания крайне полезных в быту простейших электронагревательных приборов своими руками.

Используемое оборудование: Мультиметр(ампервольтметр) ; нихромовая нить; термоусадка (или изолирующая лента); скотч; источник тока(сеть 220В); аккумулятор; блок питания 5V 2А(часто применяются для зарядки мобильных телефонов); ножницы; инструменты для спайки частей цепи; перчатки; ткань; швейные принадлежности; батарейка; фольга.



Введение. (Теория)

В школьном курсе физики изучается закон Джоуля – Ленца, дающий количественную оценку теплового действия электрического тока. Записать этот закон в формульном виде можно следующим образом:

, где Q- количество теплоты [Дж], выделяемое на проводнике с сопротивлением R [Ом] током I [A] за промежуток времени от до [c].

Данный закон широко применяется на практике для уменьшения потерь передачи тока по проводам на большие расстояния; для создания нагревательных приборов, которые работают от электрического тока; для создания предохранителей. Давайте более детально узнаем о практическом применении этого закона в промышленности и производстве.

Снижение потерь энергии

При передаче электроэнергии тепловое действие тока является нежелательным, поскольку ведёт к потерям энергии. Поскольку передаваемая мощность линейно зависит как от напряжения(U^2/R), так и от силы(I^2*R) тока, а мощность нагрева зависит как от силы тока, так и от напряжения квадратично, то в зависимости от того, какое сопротивление имеет проводник: если высокое, тогда выгодно повышать напряжение перед подачей электроэнергии, понижая в результате силу тока, а если очень и очень низкое - тогда наоборот. Поскольку линия электропередач имеет сопротивление порядка 30 Ом то выгоднее повышать напряжение и понижать силу тока. Для повышения напряжения переменного тока на электростанции и последующего понижения вблизи потребителя используют трансформаторы.

Плавкие предохранители

Для защиты электрических цепей от протекания чрезмерно больших токов используется отрезок проводника со специальными характеристиками. Это проводник относительно малого сечения и из такого сплава, что при допустимых токах нагрев проводника не перегревает его, а при чрезмерно больших перегрев проводника столь значителен, что проводник расплавляется и размыкает цепь.

Нагревательные приборы

В быту мы очень часто используем нагревательные приборы. Буквально несколько сотен лет назад их применение было крайне неудобным и опасным. В каждом доме для отопления и приготовления пищи была печь на дровах, при неправильной эксплуатации которой можно было запросто организовать пожар целой деревни или отравиться угарным газом. Так же вы могли видеть в музеях старые утюги, которые наполнялись тлеющим углём и были не менее пожароопасными. В наши же дни вместо рубки дров и разжигания печи нам достаточно всего лишь включить в сеть электрический тёплый пол, электроплиту и духовой шкаф и многие другие нагревательные приборы, которые значительно упростили нашу жизнь. Как же все они работают?



Устройство нагревательных приборов.

В наши дни разнообразие электронагревательных приборов (далее для краткости такие приборы буду называть ЭП) очень велико, как и разнообразие задач, которые они выполняют. Однако устройство всех ЭП имеет принципиальное сходство.

  1. Главным элементом ЭП является сам нагревательный контур,hello_html_79754d90.jpg

максимальная мощность которого задаётся параметрами длины, площади сечения и материала проводника через который идёт ток.

Нагревательный контур может быть представлен как просто проводником, так и спиралью, помещённой в металлическую трубку, заполненную материалом большой теплоёмкости ( как например в чайнике или кипятильнике).

  1. Блок предохранителей и регуляторов мощности нагревательного элемента.

Служит для защиты ЭП от перегревов и возгораний, а так же помогает поддерживать нужную температуру нагрева.

Использование ЭП без предохранителей напрямую запитывая в сеть очень опасно, так как ток может перегреть и даже расплавить нагревательный контур, что может вызвать пожар.

  1. Корпус устройства, предназначенный для защиты от внешних воздействий и для придания эстетичного вида ЭП и удобства его использования.



Практикум.

Опыт № 1.

Батарейка – зажигалка!

Цель опыта: разжечь огонь с помощью батарейки фольги и ватки.hello_html_66a1e4b6.jpg

Ход опыта:

  1. Вырезать из фольги показанную на фото деталь и оторвать маленький кусочек ватки. И в месте сужения на фольге обернуть ваткой.

hello_html_36b3ea35.jpghello_html_m2e709cd6.jpg

  1. Приложить края фольги к полюсам батарейки и сильно прижать.hello_html_m3dbf119e.jpghello_html_m5deb20b2.jpg(примечание: на фото слева батарейка оказалось разряженной и опыт был проедён с новой)

В результате моментально загорается ватка и через еще одну секунду фольга разрывается, так как перегрев в этом месте расплавил фольгу.

Таким образом, можно увидеть, что если сделать сопротивление проводника достаточно большим ( в месте сужения фольги площадь сечения проводника очень мала из-за чего сопротивление там велико) , то достаточно даже очень малого тока, чтобы вызвать перегрев проводника.

Вывод: обычную батарейку и фольгу в критической ситуации можно использовать для добычи огня, что как нельзя лучше демонстрирует необходимость быть ознакомленным с законом Джоуля – Ленца.

Опыт №2.



Цель опыта: собрать простейший кипятильник из двух лезвий и провода с вилкой для сети 220В.

Ход опыта:

  1. Отрезаем от ненужного прибора вилку с частью провода и очищаем два контакта от изоляции. Два лезвия собираем с помощью спичек в конструкцию как на фото и соединяем с контактами провода.

hello_html_m335fe529.jpg





























  1. Погружаем лезвия в воду, после чего включаем в сеть. (Для большей безопасности необходимо в провод впаять предохранитель, но для единичного опытного запуска можно обойтись и без него, так как мы в любой момент можем отключить сеть).hello_html_m38be2fb.jpghello_html_46e3e4db.jpg



























Через пару минут в стакане можно обнаружить кипящую воду.

Опять же причиной нагрева является большое сопротивление жидкости между лезвиями.

Вывод: используя подручные средства и знания полученные при изучении закона Джоуля – Ленца можно своими руками сделать достаточно эффективный кипятильник.





Опыт №3.

Перчатка туриста.

Цель работы: изготовить в домашних условиях перчатку, которая способна согреть руки в самые лютые морозы из подручных средств.

Оборудование: перчатка ветроустойчивая, мультиметр, фольга(лучше подойдёт нихромовая проволока с сечением 0,4мм и длиной по 2м на каждую перчатку), старый кабель зарядки от телефона, аккумулятор или другой источник тока с USB выходом, градусник, всё для спайки цепи и вшивания в перчатку нагревательного контура.

hello_html_m757d79a2.jpg































Ход работы:

  1. Делаем расчёты необходимого сопротивления нагревательного контура.

В моём случае блок питания USB выдаёт ток 2,4А при напряжении 5,2V, значит по закону Ома сопротивление контура должно быть :



  1. Отрезаем полоску фольги шириной примерно 5мм и ,отрезав 1м, измеряем сопротивление отрезанного участка мультиметром: 0.8Ом.

Таким образом надо отрезать около 2,7м фольги. hello_html_m234287fc.jpg



  1. Выворачиваем перчатку наизнанку, чтобы пришить нагревательный контур. Пришивая нагревательный контур надо следить за тем, чтобы все нити были на примерно равном расстоянии друг от друга, чтобы избежать перегрева отдельных частей перчатки, который может вызвать дискомфорт.

  2. Отрезаем конец провода противоположный штекеру USB. Убираем 3см изоляции с проводов «+» и «-», отгибая остальные провода ( которые служат в этом шнуре для передачи информации, что нам не требуется). Скручиваем концы контура и подводящего ток провода и изолируем при помощи термоусадки. Пришиваем провод к перчатке, чтобы случайно не оторвать его от контура.

  3. Выворачиваем перчатку ещё раз в исходное положение и получаем готовый результат:hello_html_3a614a47.jpg































  1. Мнём перчатку в руках, подключив мультиметр к контактам USB, и наблюдаем за тем, чтобы сопротивление не изменялось(так как мы могли не очень качественно вшить контур и его может «коротить»). Убедившись в отличном состоянии контура подключаем в сеть и надеваем перчатку. И она греет!

После примерки было решено выявить максимальную температуру нагрева перчатки.

Через 15 минут работы контура градусник в перчатке показал температуру чуть выше 40 градусов Цельсия, что показывает малую мощность данного ЭП, однако достаточную для того, чтобы руки не замёрзли в самый лютый мороз!hello_html_m39c02688.jpg



Данную перчатку можно использовать не только от сети, но и от так популярных сегодня небольших в размерах аккумуляторов Powerbank (большинство из которых выдают ток в 2А при напряжении 5V, что позволяет применять её где угодно и когда угодно.

hello_html_66135b65.jpg





























Вывод: в домашних условиях используя закон Джоуля - Ленца из обычной перчатки (или из стельки для обуви аналогичным методом) можно сделать очень полезную в данное время года грелку, которая поможет сохранить здоровье даже в сильные морозы.



















Негативное влияние теплового действия электрического тока.

Мы с вами рассмотрели многие положительные стороны теплового действия тока, однако, в технике нагрев проводников очень часто вызывает трудности, с которыми приходится бороться инженерам. Какие же проблемы могут быть вызваны нагреванием проводника тока?

В домашней сети 220V, например, нельзя подключать слишком большое количество электроприборов, потому что все приборы подключаются параллельно и каждый подключаемый прибор понижает общее сопротивление цепи. Таким образом, при слишком большом количестве приборов сеть начинает перегреваться и можно услышать характерную вонь от тлеющей изоляции проводов. Обезопасить пользователя тока можно только подключением на счётчике тока предохранителей, которые моментально выключают ток при слишком большом токе в цепи.

Так же в современной технике много достаточно мощных процессоров и других элементов, которые настолько сильно нагреваются в процессе работы, что требуют подключения системы охлаждения, без которой очень быстро перегреваются и ломаются.

Еще нагрев проводника может понижать коэффициент полезного действия электродвигателей, но в современной технике подбираются такие значения сопротивления обмотки и рабочего напряжения, что эти потери сводятся в минимуму.















Выводы:

В данной работе я на многочисленных примерах пронаблюдал и теоретически изучил закон Джоуля – Ленца, дающий количественную оценку тепловому движению тока.

Я узнал, что у нагрева проводника током есть и положительные стороны, широко используемые в технике; и негативные моменты, с которыми приходится считаться при проектировании различных электроприборов.

Курс повышения квалификации
Курс профессиональной переподготовки
Учитель физики
Курс повышения квалификации
Найдите материал к любому уроку,
указав свой предмет (категорию), класс, учебник и тему:
также Вы можете выбрать тип материала:
Общая информация

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Информационные технологии в деятельности учителя физики»
Курс профессиональной переподготовки «Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Основы местного самоуправления и муниципальной службы»
Курс повышения квалификации «Организация научно-исследовательской работы студентов в соответствии с требованиями ФГОС»
Курс повышения квалификации «Основы управления проектами в условиях реализации ФГОС»
Курс профессиональной переподготовки «Экскурсоведение: основы организации экскурсионной деятельности»
Курс профессиональной переподготовки «Клиническая психология: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Организация практики студентов в соответствии с требованиями ФГОС педагогических направлений подготовки»
Курс повышения квалификации «Правовое регулирование рекламной и PR-деятельности»
Курс повышения квалификации «Организация маркетинга в туризме»
Курс повышения квалификации «ЕГЭ по физике: методика решения задач»
Курс профессиональной переподготовки «Риск-менеджмент организации: организация эффективной работы системы управления рисками»
Курс повышения квалификации «Финансовые инструменты»
Курс профессиональной переподготовки «Организация маркетинговой деятельности»
Курс профессиональной переподготовки «Информационная поддержка бизнес-процессов в организации»

Оставьте свой комментарий

Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.