Цель работы: опытным путем определить термический эквивалент

электрической энергии.

Приборы и принадлежности: калориметр, нагреватель, термометр,

ваттметр, реостат.

Краткая теория

Если по неподвижному проводнику пропустить электрический ток I, то за время dt по проводнику пройдет заряд dq = Idt, а работа по перемещению заряда равна произведению заряда на напряжение U на этом участке цепи. dA= IUdt. При постоянном токе работа за время t секунд равна

A=IUt. (1)

Мощность тока

, (2)

т.е. мощность тока, представляющая собой работу за единицу времени, равна произведению силы тока на напряжение.

В СИ работа измеряется в джоулях (Дж), мощность в ваттах (Вт).

Так как рассматриваемый проводник неподвижен, то единственным результатом работы по перемещению зарядов будет выделение тепла Q в проводнике.

, (3)

т.е. количество теплоты, выделяемое в проводнике, пропорционально силе тока, напряжению и времени протекания тока. Это закон Джоуля – Ленца в интегральной форме. Если известно сопротивление проводника R, то по закону Ома U=IR, и формулу (3) можно переписать в виде:

A=Q=I²Rt. (4)

В некоторых случаях электрический ток неравномерно распределен по сечению проводника (неоднородный проводник или проводящие среды). В этих случаях удобнее пользоваться законом Джоуля – Ленца в дифференциальной форме:

; ; ;

;

. (5)

Удельная тепловая мощность электрического тока равна произведению удельной электропроводности на квадрат напряженности электрического поля.

Если количество теплоты Q выразить в калориях, а работу электрического тока в Джоулях, то закон Джоуля-Ленца примет вид:

Q = k (IUt)=kA, (6)

где k - коэффициент пропорциональности, называемый термическим эквивалентом электрической энергии. Он равен количеству теплоты, выделившемуся при прохождении тока, энергия которого равна одному джоулю.

Методика эксперимента

Численное значение коэффициента k известно и равно 0, 24 кал/Дж, но в данной работе необходимо получить значение k опытным путем.

Экспериментальная установка состоит из калориметра К с водой, в который помещен нагреватель H. Нагреватель питается от сети переменного тока и потребляемая им мощность измеряется ваттметром Р. Реостат R служит для регулировки тока в цепи рис. 1. Из формулы (5) термический эквивалент равен:

k=Q/A. (7)

Работа электрического тока А может быть определена по формуле:

А=Рt, (8)

где Р - мощность тока, измеряемая ваттметром, t- время работы нагревателя.

Количество теплоты, выделенное в калориметре, равно:

, (9)

где M-масса воды, -удельная теплоемкость воды, m-масса колориметра, с_к - удельная теплоемкость материала калориметра, (t₂-t₁)- разность температур за время работы (t) нагревателя. Подставив значения Q и A из (7), (8) в (6), получим рабочую формулу для определения термического эквивалента электрической энергии

(10)

Для измерения в работе используется ваттметр электродинамической системы. Измерительная часть ваттметра состоит из двух катушек – неподвижной (токовой), включенной в цепь последовательно, и подвижной, включенной в цепь параллельно. Шкала прибора равномерная. Так как мощность равна произведению силы тока I на напряжение U (P=IU), то для определения цены деления ваттметра необходимо умножить верхний предел по току на верхний предел по напряжению. Полученное значение мощности соответствует максимальному отклонению стрелки ваттметра. Разделив полученное значение мощности на максимальное число делений на шкале прибора, получим цену деления прибора.

Порядок выполнения работы

1. Наливают в калориметр определенное количество воды (по заданию преподавателя).

2. Собирают цепь по схеме, изображенной на рис. 1.

3. Заметив начальную температуру воды по термометру, включают источник тока и замечают время, в течение которого вода нагревается на некоторое число градусов.

4. Заносят данные в таблицу и вычисляют k по формуле (10).

№	m, кг	M, кг	, кал/кг·град	, кал/кг·град	t₂-t₁	t, с	P, Вт	k, кал/Дж



Среднее значение k

Примечание , , m – заданы.

Задачи

1. В каком из 4-х резисторов, изображенных на рисунке, выделится максимальное количество теплоты при прохождении постоянного тока?

2. Какое количество теплоты выделится в проводнике, по которому пройдут 5·10²⁰ электронов при разности потенциалов 220 В?

3. Элемент замыкается проволокой один раз сопротивлением 4 Ом, другой – сопротивлением 9 Ом. В том и другом случае количество тепла, выделяющегося в проводниках за одно и то же время, оказывается одинаковым. Каково внутреннее сопротивление элемента?

4. Через поперечное сечение спирали нагревательного элемента паяльника каждую секунду проходит 0, 5·10¹⁹ электронов. Мощность паяльника, если он включен в сеть с напряжением 220 В, равна:

Ответы: а) 200 Вт; б) 136 Вт; в) 176 Вт; г) 115 Вт; д) нет ответа.

5. По данным схемы определить количество теплоты, которое выделится в резисторе R, за 5 минут.

Контрольные вопросы

1. Цель работы.

2. Формула работы и мощности электрического тока.

3. Закон Джоуля Ленца в интегральной и дифференциальной формах. Когда применяется дифференциальная форма записи.

4. Что такое термический эквивалент электрической энергии? Чему он равен?

5. Вывод рабочей формулы.

Литература

1. Савельев И. В. Курс общей физики. М.: Наука. Т.2, 1982. § 38.

2. Трофимова Т. И. Курс физики. М.: Высшая школа. 2002, § 99.

3. Бондарев Б. В., Калашников Н. П., Спирин Г. Г. Курс общей физики. М.: Высшая школа. 2003, кн. 2. § 4.7, 4.10.

Лабораторная работа № 2.6

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 9 10 Следующая ⇒