Інформація для вчителів
Застосування
Рис. 1 Складання
Енергія - це міра запасеної роботи; вона може існувати в різних формах, які перетворюються одна на одну. У замкненій системі повна енергія під час процесів перетворення лишається сталою, що робить її фундаментальною величиною у фізиці.
Інша інформація для вчителя (1/4)
Попередні знання
У цьому досліді важливо знати, що електричну енергію можна перетворити на теплову енергію у вигляді теплоти.
Теплова та світлова дія електричного струму знайомі учням із повсякдення, і вони вже йекспериментували з лампами розжарювання та використовували їхню яскравість чи світлову дію як міру сили струму.
Принцип
До константанового дроту прикладають електричний струм. Дріт лежить у ванночці з водою і нагріває її. Вимірюють зміну температури, а також електричну потужність.
Інша інформація для вчителя (2/4)
Навчальна мета
У цьому досліді експериментально доводять еквівалентність електричної енергії і теплової енергії
Завдання
Завдяки паралельному вимірюванню струму і температури залежно від часу обидві форми енергії можна кількісно виразити в одиницях ватсекунда і джоуль за відомої сталої напруги
Інша інформація для вчителя (3/4)
Додаткова інформація
У цьому досліді експериментально доводять еквівалентність електричної енергії і теплової енергії . Електрична енергія перетворюється в нагрівальній спіралі на теплову енергію . Це призводить до підвищення температури нагрівальної спіралі (або води, у яку цю спіраль можна занурити). Завдяки одночасному вимірюванню струму і температури залежно від часу обидві форми енергії можна кількісно визначити за відомої сталої напруги . Це дає змогу експериментально перевірити їхню числову еквівалентність: = , де:
Теплоємність скляної посудини потрібно врахувати під час оцінювання.
Інша інформація для вчителя (4/4)
Додаткова інформація
Питому теплоємність скла зазвичай подають у джоулях на грам на кельвін або в джоулях на кілограм на кельвін . Проте точні значення різняться залежно від складу скла й можуть лежати приблизно між і .
Теплоємність води становить приблизно або . Це значення чинне для чистої води за нормальних умов (приблизно ).
Правила безпеки
Примітки
Сили струму достатньо, щоб дротяна спіраль (слабко) світилася червоним, якщо витягти її з води. Стежте, щоб усі електричні з'єднання були виконані правильно й надійно, аби уникнути нещасних випадків.
Вказівка: навіть якщо спіраль не розжарюється, вона має настільки високу температуру, що важливо попередити учнів про небезпеку опектися, торкнувшись спіралі.
Стежте, щоб термометр правильно вимірював температуру водяної ванни й не торкався нагрівальної спіралі, аби уникнути похибок вимірювання.
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Рис. 2 Водонагрівач
Електричну енергію можна перетворити на теплоту – цей процес добре ілюструє кип'ятильник. Він складається з нагрівальної спіралі з великим електричним опором, через яку тече струм. Через великий електричний опір спіраль нагрівається. Ця теплота передається воді, і вода нагрівається.
Завдання
- Склади електричне коло з електронних модулів, щоб зробити модель кип'ятильника.
- Перетвори електричну енергію на теплову.
- Вимірюй при цьому напругу і струм.
Рис. 3 Складання
Обладнання
Складання (1/3)
- Склади електричне коло так, як показано на рисунках нижче. Скористайся затискачем "Крокодил", щоб затиснути нагрівальну спіраль. Спіраль зроби, намотавши дріт, наприклад, на олівець.
Складання (2/3)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (3/3)
- Запусти обидва датчики Cobra SMARTsense, утримуючи кнопку ввімкнення/вимкнення на кожному приблизно три секунди.
- Тепер запусти measureAPP і з'єднайся з обома датчиками. Налаштуй показ так, щоб виміряні значення відображалися числами. Для цього натисни "0.0" вгорі в застосунку. Ліворуч видно, як це тоді виглядає.
Приклад знімка екрана застосунку
Виконання (1/3)
1. Дослід
- Наповни рифлену ванночку холодної води, постав її біля модулів і повністю занур нагрівальну спіраль у воду.
- Виміряй температуру води і внеси цю температуру для у таблицю 1 протоколу.
- Увімкни живлення. Замкни вимикач і запусти секундомір
- Встанови напругу так, щоб сила струму дорівнювала . Внеси виміряні значення напруги та струму в таблицю 1.
Виконання (2/3)
1. Дослід
- Кілька разів перемішай воду. Розмикай вимикач раз на хвилину, щоб виміряти температуру води. Записуй результати в таблицю 1. Після цього щоразу знову замикай вимикач. Через залиш вимикач розімкненим.
- Вилий воду, сполосни рифлену ванночку холодною водою і знову наповни її холодної води.
- Повтори вимірювання за сили струму
- Внеси виміряні значення в таблицю 2
Виконання (3/3)
2. Дослід
Вийняти нагрівальну спіраль з води, замкнути вимикач
Встанови струм знову на
Поспостерігай за нагрівальною спіраллю. ОБЕРЕЖНО: не торкайся гарячої спіралі!
Розімкни вимикач і вимкни подачу струму.
Запиши свої спостереження у протоколі
Протокол
Таблиця (1/2)
Внеси в таблицю виміряні значення температури води, напруги та струм .
1
2
3
4
5
Таблиця (2/2)
Внеси в таблицю виміряні значення температури води, напруги та силу струму .
1
2
3
4
5
Завдання (1/4)
Обчисли поглинуту водою теплову енергію за таким рівнянням:
- це зміна температури за один крок вимірювання. Крім того, можна прийняти таке:
.
Масу відповідно потрібно подавати в грамах.
Внеси свій результат на наступній сторінці.
.....................................
Завдання (2/4)
Тепер обчисли теплову енергію для нагрівальної спіралі. У цьому досліді ти можеш скористатися для цього формулою:
- це споживана потужність нагрівальної спіралі, а - час.
Потужність обчислюють як добуток напруги і струму :
Якщо ти виміряв напругу і струм нагрівальної спіралі в електричному колі, ти можеш обчислити потужність . Потім помнож потужність на час , щоб дістати теплову енергію . більша чи менша за ? Чому існує таке співвідношення?
Завдання (3/4)
Питання
Питання
Завдання (4/4)
Питання