§ 99. Превращение электрической энергии в тепловую

Демонстрационные опыты и лабораторные работы — см. Т. II, § 46, 1—7 и 68, 7.
Упрощенные приборы — см. т. Т II, §§45.
Рисунки и чертежи на уроках—см. т.IV, § 63, 1—5.

1. Содержание: а) Закон Джоуля-Ленца. б) Лабораторная работа: Сравнение количества теплоты, полученной при нагревании током, с ожидаемой по расчёту. в) Использование тепловых действий тока в технике и в быту. г) Электрическое освещение; плавкий предохранитель, электрические лампочки. д) Вольтова дуга и её применение. е) Электрические печи сопротивления.

2. Методические замечания. Настоящей темой заканчивается изучение основных законов тока и в то же время начинается рассмотрение превращений электрической энергии в другие виды. Тема состоит из двух частей. В первой вводится закон Джоуля-Ленца, во второй изучаются применения электроэнергии для освещения и получения теплоты. Смысл введения закона Джоуля-Ленда в программу школы-семилетки заключается не только в том, чтобы научить учащихся производству перерасчётов электрической энергии в теплоту, но, главное, в обосновании уже введённых понятий работы и мощности. Это обоснование строится на опытах с превращением энергии электрического тока в теплоту.

Существует и иной путь, именно: вывод закона Джоуля-Ленца из выражения работы тока на основе закона сохранения энергии; однако, этот вывод доступен только при высоком развитии учащихся. Рассуждения, которые ведутся при этом, примерно, следующие.

Работа электрического тока равна

А=U*I*t джоулей.

Если эта работа целиком превращается в теплоту, то количество выделенной теплоты равно:

А=0,24*U*I*t кал.

для получения формулы закона джоуля-Ленца в её классическом виде надо на основании закона Ома произвести подстановку U=I*R и получить:

Q =0,24*I2*R*t

данный путь вывода формулы закона Джоуля-Ленца оказывается полезным впоследствии, при повторении всего курса физики.

Изложение вопроса о технических приложениях тепловых действий тока затруднений не представляет и вызывает обычно значительный интерес учащихся.

Преподаватель со всей отчётливостью должен уяснить себе, что данная тема является наиболее благоприятной для выявления значения трудов русских ученых и техников. Неправильно только упомянуть при изложении соответствующих вопросов имена Э. Х. Ленца, А. Н. Лодыгина, П. Н. Яблочкова и В. В. Петрова, как это делают в большинстве случаев. Такой путь в лучшем случае даст чисто формальные результаты и учащиеся выучат соответствующие места, не представляя себе ни огромного значения работ этих учёных, ни своеобразной героики в борьбе за русскую науку с равнодушием и косностью современников и с жестокими материальными условиями. Кроме того, у учащихся составится совершенно неправильное представление, что заслуга Петрова заключается только в открытии электрической дуги, заслуга Яблочкова - в изобретении «свечи». Роль Яблочкова в развитии мировой электротехники более уместно охарактеризовать впоследствии (§ 103) при изучении вопроса о передаче электрической энергии на расстояние. В данной же теме внимание преподавателя должно быть обращено на ознакомление с жизнью и трудами одного из замечательнейших русских учёных — академика Василия Владимировича Петрова (1762—1834)[1]. Из числа наиболее крупных открытий, описанных в книге: «Известия о гальвани-вольтовских опытах, которые производил профессор физики Василий Петров посредством огромной наипаче батареи, состоящей иногда из 4200 медных и цинковых кружков...», учащимся следует охарактеризовать значение следующих открытий:

1) Разложение электрическим током некоторых жидкостей.

2) «Светоносное вещество или пламя купно с теплотворным веществом», т. е. свечением разряженного газа от батареи.

3) Получение электрической дуги.

4) Использование электрической дуги для восстановления металлов из окислов.

5) Сваривание металлов в пламени дуги.

Кроме того, учащимся важно указать, что Петров впервые применил изолирование проводов сургучом и воском.

Таковы основные заслуги В.В. Петрова перед наукой физикой и техникой, поэтому его справедливо считают основоположником одной из важнейших областей техники — электрометаллургии.

Ознакомление учащихся с биографией этого великого русского физика надо считать обязательным, тем более, что преподавателю при рассказе о жизни Петрова можно нарисовать яркую картину бездушного отношения власти к русским учёным и неуважения к их заслугам, особо характерным для того времени и вообще для царского режима.

Характеристику академика Э. Х. Ленца, как ведущего мирового учёного, более уместно по методическим соображениям дать во время прохождения темы: Электромагнитная индукция (§ 102). В данной же теме можно ограничиться сравнительно краткими сведениями об учёном в связи с законом Джоуля-Ленца.

Рассказывая об электрической лампочке накаливания, преподавателю следует не только упомянуть о А. Н. Лодыгине как изобретателе такой лампочки, но и нарисовать картину судьбы изобретения, отношения промышленных кругов и власти царской России, заставившего этого замечательного инженера покинуть родину и работать за границей.

3. Закон Джоуля-Ленца. Учащимся уже показывались опыты с нагреванием проводников током; надо, однако, их повторить, обратив внимание на опыты, обнаруживающие зависимость нагрева проводников, во-первых, от силы тока и, во-вторых, от их сопротивления. То и другое можно продемонстрировать на установке, состоящей из амперметра и цепочки проводников с различными сопротивлениями (см. т. II, § 46, 2 и 5 и рис. 339).

Основная задача преподавателя при введении закона ДжоуляЛенца заключается в том, чтобы более отчётливо (чем это делалось ранее) выяснить учащимся, что тепловые действия, возникающие в проводниках, являются результатом превращения электрической энергии в теплоту и притом всей энергии целиком. Таким образом, по количеству выделяемой теплоты можно заключить о его работе на участке цепи за данное время и об его мощности. В результате такой постановки вопроса учащимся станет ясно, что для подсчёта работы электрического тока нужно произвести измерение выделенной током теплоты и на опыте установить эквивалент между работой электрического тока и количеством теплоты, что и было сделано трудами Джоуля и Ленца, выразивших искомое соотношение в форме закона:

A=0,24*I2*R*t

Необходимо провести также демонстрацию, заключающуюся в нагревании током воды в сосуде посредством спирали (см. т. II, § 68, 2 и рис. 498 и 499) и дать схему включения приборов для измерения напряжения и силы тока (м. т. IV, рис. 273). Проводить демонстрацию с тем, чтобы на основе измерений подойти к закону Джоуля-Ленца, не рекомендуется, так как отсчёты по термометру не видны учащимся, расчёты громоздки, а время нагревания сравнительно длительно. Поэтому обязательно, показав установку, нужно тотчас же организовать соответствующую лабораторную работу (см. т. II, § 68, 7).

Формулировка закона даётся в следующем виде:

Количество выделенной током теплоты прямо пропорционально квадрату величины тока и сопротивлению нагреваемого проводника.


  1. См.: Академик В. В. Петров, Сборник под ред. акад. С. И. Вавилова, изд. Акад. наук СССР, М. — л., 1940.
    Н. Шостьин, Василий Владимирович Петров, журн. «Электричество» , 1944, № 11—12.

  •     

































© 2003-2018 Методика навчання фізики в середній школі | Хостинг: RCHosting