Цель работы: научиться определять КПД электрического чайника

Оборудование: электрический чайник, источник электрического тока (розетка квартирной электропроводки), водопроводная вода, термометр, часы с секундной стрелкой (секундомер), таблица (справочник по физике), калькулятор.

Порядок выполнения работы:

Электрический чайник отключен от электрической сети. Берем в руки пустой чайник, переворачиваем его, изучаем паспорт чайника, записываем значение мощности нагревательного элемента.

1. Открываем крышку чайника, наливаем в него воду из крана объемом 1 литр (1 килограмм).

2. Термометр помещаем в чайник с водой.

3. Измеряем температуру воды в чайнике

4. Вынимаем термометр из воды

5. Плотно закрываем крышку чайника.

6. Ставим чайник на платформу.

7. Включаем чайник и засекаем время по часам. Вода в чайнике нагревается. Следим за показаниями часов.

8. Отмечаем момент автоматического отключения чайника (момент закипания воды).

9. Вычисляем промежуток времени, в течение которого нагревалась вода от начальной температуры до кипения

10. Осторожно снимаем с платформы чайник с горячей водой. Выливаем воду из чайника в раковину.

11. Рассчитываем работу электрического тока по формуле

где А – работа электрического тока;

Р – электрическая мощность нагревательного прибора;

t – промежуток времени, в течение которого нагревается вода.

12. Вычисляем количество теплоты по формуле

Q = cm (t 2 - t 1),

где с – удельная теплоѐмкость воды,

m – масса воды,

t 2 = 100 °C – температура кипения воды,

t 1 – начальная температура воды

13. Рассчитываем коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника по формуле

14. Результаты опытов и вычислений записываем в таблицу.

15. Сделать вывод

Результаты измерений:

Расчеты:

Q = cm (t 2 - t 1)

Вывод:______________________________________________________________________

Дополнительные задания

Вариант 1.

В паспорте электрического утюга написано: «220 В; 600 Вт». Какое количество теплоты выделится в утюге за 2 часа работы при напряжении 220 В?

Вариант 2.

Определить сопротивление электропаяльника мощностью 300 Вт, включенного в сеть напряжением 220 В.

Лабораторная работа №12

Тема: «Изучение электрических свойств полупроводников»

Цель работы: исследовать проводимость полупроводников, по данным опытов построить вольтамперную характеристику диода.

Оборудование: источник электроэнергии, миллиамперметр, микроамперметр, диод, резисторы, вольтметр, ключ.

Теория:

полупроводники характеризуются отличной от проводников проводимостью: собственной, дырочной (р – типа) и электронной (п – типа). Если два проводника с проводимостью разного рода привести в контакт, то на месте контакта образуется запирающий слой, который хорошо проводит ток в одном направлении и практически не проводит тока в другом. Это свойство используется в полупроводниковой технике.

Порядок выполнения работы:

1. Составить цепь по схеме. Диод включить в пропускном направлении.

2. Замкнуть цепь. Подобрать движение движка потенциометра так, чтобы вольтметр показал самое малое напряжение. Перемещая

Движок потенциометра, снять не менее пяти значений напряжения и силы тока. Результаты измерений записать в таблицу.

3. Диод включить в обратном направлении (запорном). Заменить миллиамперметр на микроамперметр. Цепь замкнуть и снять два показания вольтметра и микроамперметра.

4. По результатам измерений построить график зависимости силы тока от напряжения, откладывая по оси абсцисс – напряжение, а по оси координат – силу тока.

Результаты измерений:

№ опыта	Прямой ток	Обратный ток
Ток диода I , А	Напряжение диода U, В	Ток диода I , А	Напряжение диода U , В

График:

Вывод:__________________________________________________________________________________

Ответы на вопросы:

1. В чем различие проводимости проводников и полупроводников?

________________________

2.Что показывает вольтамперная характеристика диода? _______________________________________________________________________________

3. Какой проводник называется проводником n-типа, а какой проводником p-типа?

________________________

Дополнительные задания

Вариант 1.

а) в пропускном направлении при U = 0,3 B,

б) в запирающем направлении при U = - 400 B.

Вариант 2.

1. На рис. изображена вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. Определить, чему равно внутреннее сопротивление диода

а) в пропускном направлении при I = 20 мА,

б) в запирающем направлении при U = - 200 B.

Решение задач:

Домашнее задание:

1. По данным рисунка определить 2 А

сопротивление резистора.

Лабораторная работа №13

Тема: «Изучение законов колебания математического маятника»

Цель работы: вычислить ускорение свободного падения из формулы для периода колебаний математического маятника.

Оборудование: часы с секундной стрелкой, измерительная лента, шарик с отверстием, нить, штатив с муфтой и кольцом.

Теория:

Математическим маятником называется материальная точка, подвешенная на невесомой и нерастяжимой нити. Моделью такого маятника может служить шарик, подвешенный на длинной нити.

Период колебаний на зависит от массы маятника и амплитуды его колебаний, если угол размаха не превышает 6 0 .

Период колебаний математического маятника прямо пропорционален корню квадратному из длины нити и обратно пропорционален корню квадратному из ускорения свободного падения

Лабораторная работа

Цель: целенаправленное обучение поисковой деятельности, актуализация личностного смысла обучающихся к изучению темы, создание условий для развития навыков общения и совместной деятельности.

Задачи:

Образовательная: экспериментальная работа по определению КПД электроприборов на примере электрочайника, формирование умения устанавливать связь между элементами содержания ранее изученного материала и нового.

Развивающая: развитие навыков мыслительных операций, совершенствование умений формулировать личностно – значимые цели, способствовать развитию исследовательских и творческих навыков.

Воспитательная: совершенствование умений работать в паре, формировать способность к самоанализу.

Тип урока : урок – практикум (2 часа)

Оборудование

Ход урока

Организационный момент

Инструктаж по технике безопасности при работе с электроизмерительными приборами.

Постановка задачи.

Вычислить совершѐнную электрическим током работу

Вычислить количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе,

определить на опыте КПД электроприборов на примере электрочайника ;

Выполнение работы, согласно методическим рекомендациям.

1. Рассмотрите электрочайник. По паспортным данным определите электрическую мощность электроприбора P.

2. Налейте в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг)

3. Измерьте с помощью термометра начальную температуру воды t 1 .

4. Включите чайник в электрическую сеть и нагревайте воду до кипения.

5. Определите по таблице температуру кипения воды t 2 .

6. Заметьте по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δŧ

Все измерения выполняйте в СИ.

7. Используя данные измерений, вычислите:

эл.тока = P∙Δt

нагр. = cm(t 2 - t 1 )

8. Рассчитайте коэффициент полезного действия электрочайника по формуле

η = =

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу

P, Вт

V, м 3

t 1 , 0 С

Δt, с

t 2 , 0 С

A эл.тока ,Дж

Q нагр. , Дж

ŋ,%

Контрольные вопросы:

Почему спираль электрочайника изготавливают из проводника большой площади сечения? Дайте развѐрнутый ответ.

Приведите примеры других электроприборов, в которых нагревательным элементом является спираль. Чем эти приборы отличаются друг от друга?

Сварщик Почему при электросварке большее количества тепла выделяется именно в месте соединения сварных кусков? (при пропускании тока большой силы через соприкасающиеся на небольшой плоскости металлические детали в месте контакта этих деталей оказывается максимальное сопротивление проходящему току и, следовательно, выделяется максимальное количество тепла).

Автомеханик Почему маломощные приборы невыгодны? Почему при пользовании такими приборами неизбежен перерасход энергии? ( Вследствие увеличения времени нагревания воды увеличиваются потери путем конвекции, теплопроводности, излучения )

Вывод.

5. Домашнее задание: подготовить отчёт, повторить закон Джоуля - Ленца.

Отчёт о выполнении лабораторной работы

«Определение коэффициента полезного действия электрического чайника».

Цель работы: научиться экспериментально определять КПД электроприборов на примере электрочайника.

Оборудование : Электрический чайник, термометр, часы с секундной стрелкой.

Ход работы:

1. Рассмотрел электрочайник. По паспортным данным определил электрическую мощность электроприбора P.

2. Налил в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг)

3. Измерил с помощью термометра начальную температуру воды t 1 .

4. Включил чайник в электрическую сеть и нагрел воду до кипения.

5. Определил по таблице температуру кипения воды t 2 .

6. Заметил по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δŧ

7. Используя данные измерений, вычислил:

а) совершѐнную электрическим током работу, зная мощность чайника P и время нагревания воды Δt, по формуле A эл.тока = P∙Δt

б) количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе, Q нагр. = cm(t 2 - t 1 )

8. Рассчил коэффициент полезного действия электрочайника по формуле

η = =

9. Результаты измерений и вычислений занес в таблицу

P, Вт

V, м 3

t 1 , 0 С

Δt, с

t 2 , 0 С

A эл.тока ,Дж

Q нагр. , Дж

ŋ,%

Ответы на контрольные вопросы :

Вывод о проделанной работе:

Лабораторная работа

Цель: целенаправленное обучение поисковой деятельности, актуализация личностного смысла обучающихся к изучению темы, создание условий для развития навыков общения и совместной деятельности.

Задачи:

Образовательная: экспериментальная работа по определению КПД электроприборов на примере электрочайника, формирование умения устанавливать связь между элементами содержания ранее изученного материала и нового.

Развивающая: развитие навыков мыслительных операций, совершенствование умений формулировать личностно – значимые цели, способствовать развитию исследовательских и творческих навыков.

Воспитательная: совершенствование умений работать в паре, формировать способность к самоанализу.

Тип урока : урок – практикум (2 часа)

Оборудование

Ход урока

1. Организационный момент

1. Рассмотрите электрочайник. По паспортным данным определите электрическую мощность электроприбора P.

2. Налейте в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг)

3. Измерьте с помощью термометра начальную температуру воды t1.

4. Включите чайник в электрическую сеть и нагревайте воду до кипения.

5. Определите по таблице температуру кипения воды t2.

6. Заметьте по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δŧ

Все измерения выполняйте в СИ.

7. Используя данные измерений, вычислите:

8. Рассчитайте коэффициент полезного действия электрочайника по формуле

η = =

9. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу

2. Почему спираль электрочайника изготавливают из проводника большой площади сечения? Дайте развѐрнутый ответ.

3. Приведите примеры других электроприборов, в которых нагревательным элементом является спираль. Чем эти приборы отличаются друг от друга?

Сварщик Почему при электросварке большее количества тепла выделяется именно в месте соединения сварных кусков? (при пропускании тока большой силы через соприкасающиеся на небольшой плоскости металлические детали в месте контакта этих деталей оказывается максимальное сопротивление проходящему току и, следовательно, выделяется максимальное количество тепла).

Автомеханик Почему маломощные приборы невыгодны? Почему при пользовании такими приборами неизбежен перерасход энергии? (Вследствие увеличения времени нагревания воды увеличиваются потери путем конвекции, теплопроводности, излучения)

Вывод.

5. Домашнее задание: подготовить отчёт, повторить закон Джоуля - Ленца.

«Определение коэффициента полезного действия электрического чайника».

Цель работы: научиться экспериментально определять КПД электроприборов на примере электрочайника.

Оборудование : Электрический чайник, термометр, часы с секундной стрелкой.

Ход работы:

1. Рассмотрел электрочайник. По паспортным данным определил электрическую мощность электроприбора P.

2. Налил в чайник воду объѐмом V, равным 1 л (1 кг)

3. Измерил с помощью термометра начальную температуру воды t1.

4. Включил чайник в электрическую сеть и нагрел воду до кипения.

5. Определил по таблице температуру кипения воды t2.

6. Заметил по часам промежуток времени, в течение которого нагревалась вода Δŧ

7. Используя данные измерений, вычислил:

а) совершѐнную электрическим током работу, зная мощность чайника P и время нагревания воды Δt, по формуле A эл. тока = P∙Δt

б) количество теплоты, полученное водой и равное полезной работе, Q нагр. = cm(t2 - t1)

8. Рассчил коэффициент полезного действия электрочайника по формуле

η = =

9. Результаты измерений и вычислений занес в таблицу

https://pandia.ru/text/80/390/images/image003_96.gif" width="14" height="14">Ответы на контрольные вопросы :

Вывод о проделанной работе:

Каждый из нас довольно часто пользуется чайником или обычным, или электрическим, чтобы довести воду до кипения. Это необходимо для приготовления двух замечательных напитков: чая и кофе. Однако не вся электрическая энергия, если чайник – электрический, или энергия горящего газа, если чайник – обычный, идет на нагревание воды. Каждый раз, когда мы, приготавливая кипяток, греем воду, вместе с ней нагревается и сам чайник, а также и воздух на кухне. При этом возникает вопрос: сколько лучше наливать воды? Если воды налить немного, то, с одной стороны, она быстро закипит, и потери теплоты на нагревание воздуха на кухне будет самыми небольшими. Но, с другой стороны, на нагревание самого чайника уйдёт почти столько же энергии, сколько и на нагревание воды. Если воды налить много, то энергия, потраченная на нагревание чайника, будет незначительной, но при этом чайник будет нагреваться долго и, следовательно, гораздо больше энергии будет передано окружающей среде. Давайте попробуем разобраться и определить оптимальное количество воды, при котором отношение потерь тепла к полезной работе по производству кипятка при помощи электрического чайника будет минимально.

При проведении расчетов будем считать, что вода, нагреваемая в чайнике, имеет комнатную температуру, а выделение тепла нагревательным элементом чайника в единицу времени неизменно и равно, соответственно, мощности, указанной производителем электрического чайника.

Для определения оптимального коэффициента полезного действия можно провести экспериментальное исследование, воспользовавшись электрическим чайником с мощностью нагревательного элемента 2400 Вт и объемом 1.5 л. Полезная работа по производству кипятка равна количеству теплоты, необходимому для нагревания воды от комнатной температуры до температуры кипения воды (100 0 С):

где – теплоемкость воды, – масса нагреваемой воды, – температура кипения воды, – начальная температура воды перед нагреванием (25 0 С).

Выделяемое нагревательным элементом количество теплоты определяется формулой:

где – мощность нагревательного элемента, – время закипания воды. Тогда коэффициент полезного действия электрического чайника определяется соотношением:

а потери энергии:

При помощи секундомера делаем измерения времени закипания воды разной массы, а результаты заносим в таблицу:

	Масса воды, кг	закипания, с		Удельная потеря энергии, кДж/кг

Из таблицы видно, что минимальные потери энергии для используемого в эксперименте чайника будут, если нагревать 1-1,25 кг воды, а максимальные потери будут, если нагревать 0,25 кг воды. Таким образом, разница между максимальными и минимальными потерями составляет 161,3 кДж/кг. Учитывая, что в среднем чайник используется 2-3 раза в день, за год потери энергии будут 176,6 МДж, или 49 кВт/ч. Сама по себе экономия получилась небольшой, но если свести к минимуму все ненужные потери энергии, например, выключая неиспользуемые осветительные приборы и т.д., то эффект получится вполне ощутимым, особенно если посчитать экономию электроэнергии в пределах города Москвы: 150000000 кВт/ч.

По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу.

Проведите экспериментальное исследование и определите оптимальное количество воды, которое нужно наливать в ваш чайник, чтобы минимизировать тепловые потери.

Учитель физики поставил перед нами проблему под названием: «Определение коэффициента полезного действия бытового электрического нагревательного прибора». После продолжительных поисков бытового электрического нагревательного прибора (электрическая плитка, электрический утюг, кондиционер, электрическая сушилка, тепловентилятор, электрокалорифер и так далее), мы решили вычислить коэффициент полезного действия электрического чайника типа TEFAL и получили одобрение учителя. Мы вспомнили формулу коэффициента полезного действия

A З где ŋ - коэффициент полезного действия,

А п - полезная работа,

А з - затраченная работа.

Повторили темы по физике темы: «Электричество», «Теплота» и пришли к выводу, что в качестве полезной работы можно использовать количество теплоты, а в качестве затраченной работы следует использовать работу электрического тока.

Расчетная формула представлена в следующем виде:

A где ŋ - коэффициент полезного действия,

Q – количество теплоты, полученное водой,

А – работа электрического тока.

Количество теплоты вычисляется по формуле:

Q = cm(t2°-t1°), где с – удельная теплоёмкость воды, m – масса воды, t2° = 100 °C – температура кипения воды, t1° – начальная температура воды (измеряется термометром).

Работа электрического тока вычисляется по формуле:

А = Р t, где А – работа электрического тока.

Р – электрическая мощность нагревательного прибора, t – промежуток времени, в течение которого нагревается вода.

В школе под руководством учителя мы познакомились с устройством и принципом действия электрического чайника, изучили правила техники безопасности. Возвратившись из школы домой, мы приступили к выполнению лабораторной работы в домашних условиях, предварительно получив разрешение родителей на проведение эксперимента на кухне.

Домашняя лабораторная работа.

Определение коэффициента полезного действия электрического чайника

Приборы и материалы:

1) электрический чайник типа TEFAL,

2) источник электрического тока (розетка квартирной электропроводки),

3) водопроводная вода,

4) термометр,

5) часы с секундной стрелкой (секундомер),

6) калькулятор.

Порядок выполнения работы.

Электрический чайник отключен от электрической сети. Берем в руки пустой чайник, переворачиваем его, изучаем паспорт чайника, записываем значение мощности нагревательного элемента

1) Открываем крышку чайника, наливаем в него воду из крана объемом 1 литр (1 килограмм).

2) Термометр помещаем в чайник с водой.

3) Измеряем температуру воды в чайнике

4) Вынимаем термометр из воды и помещаем его в футляр.

5) Плотно закрываем крышку чайника.

6) Ставим чайник на платформу.

7) Включаем чайник и засекаем время по часам. Вода в чайнике нагревается. Следим за показаниями часов.

8) Отмечаем момент автоматического отключения чайника (момент закипания воды).

9). Вычисляем промежуток времени, в течение которого нагревалась вода от начальной температуры до кипения

10) Осторожно снимаем с платформы чайник с горячей водой. Выливаем воду из чайника в раковину.

11). Рассчитываем работу электрического тока по формуле.

12). Вычисляем количество теплоты по формуле.

13) Рассчитываем коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника по формуле.

14) Полученный результат выражаем в процентах и делаем вывод: а) коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника равен 78,6 % (Клементьев Александр).

б) коэффициент полезного действия нагревательного элемента электрического чайника равен 72,3 % (Щукин Иван).

Примечание: в этой работе представлена для того, чтобы любой преподаватель, снявший копию с описания лабораторной работы, без особых затруднений предложил своим ученикам определить коэффициент полезного действия чайника, используемого в домашних условиях.