Изучение нового материала.

Закон Ома для полной электрической цепи. Коэффициент полезного действия источника тока

Цели:

образовательная: обеспечить формирование закона Ома для полной электрической цепи; формирование понятия короткого замыкания и коэффициента полезного действия.

развивающая: способствовать развитию интеллектуальных умений, познавательных потребностей учащихся.

Воспитательная: воспитание информационной культуры учащихся; воспитание аккуратности, дисциплинированности, усидчивости.

Тип урока:усвоение новых знаний.

Оборудование:учебное пособие «Физика 10 класс», мультимедийный проектор.

Структура урока:

1. Организационный момент.

2. Изучение нового материала.

3. Закрепление материала.

4. Домашнее задание.

Ход урока

Организационный момент.

Подготовка учащихся к работе на занятии. Сообщение учащимся темы урока и его задач. Проверка домашнего задания.

Изучение нового материала.

Ранее вы уже познакомились с законом Ома для участка электрической цепи: ,

где R – сопротивление участка цепи. Выясним, от чего зависит сила тока в полной электрической цепи. Рассмотрим электрическую цепь, состоящую из источника тока с ЭДС и сопротивлением r, которое называют внутренним, и резистора сопротивлением R. Пусть сила тока в цепи I, а напряжение на внешнем участке цепи U.

Закон Ома для полной цепи связывает силу токаIв цепи, ЭДС источника тока и полное сопротивление цепи R + r, которое складывается из сопротивлений внешнего (резистор) и внутреннего (источник тока) участков цепи. Эта связь может быть установлена теоретически на основании закона сохранения энергии.

ε r

С учётом работы и внутренней энергии сторонних сил и выделяемого количества теплоты, которое может быть определенно по закону Джоуля-Ленца, запишем чему равняется сила тока в полной электрической цепи:

Эта формула является математическим выражением закона Ома для полной электрической цепи. Запишем формулировку закона Ома: сила тока в полной электрической цепи прямо пропорционально ЭДС источника тока и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

Все на раз слышали из уст других людей выражение «короткое замыкание». Давайте разберёмся, что это такое. Допустим сопротивление внешнего участка цепи стремиться к нулю: тогда сила тока возрастает и достигает максимального значения. Падение напряжения на источнике тока при этом равно ЭДС, а напряжение между его полюсами – нулю. Такой режим работы источника тока называют коротким замыканием, а максимальную силу тока называют силой тока короткого замыкания:

, где r – внутреннее сопротивление источника тока.

При перемещении заряда на внешнем участке цепи, напряжение на котором, за промежуток времени силы электрического поля совершают работу

А=Uq, зная что q=It получим A=IUt – работа электрического тока, совершённой на внешнем участке цепи. В общем случае работа тока может превращаться в механическую работу электродвигателей, расходоваться на увеличение внутренней энергии участка цепи (выделения количества теплоты), т.е. если мы включим в цепь только электронагревательные приборы, то IUt=Q и полезная работа равна Q.

По закону Джоуля-Ленца: Q=I²Rt.

IUt= I²Rt – равенство выполняется только в том случае, если на участке цепи имеет место превращение энергии электрического поля во внутреннюю энергию этого участка. Таким образом, если внешним участком цепи является нагревательный элемент (или резистор), то формула для расчёта полезной работы электрического тока на внешнем участке цепи

А_полезн= I²Rt

Учитывая, что мощность Р= , получим выражение для определения полезной мощности тока на внешнем участке цепи: Р_полезн=I²R=IU

Поскольку работа сторонних сил источника тока А_ст=А_полн=Iξt, то мощность, развиваемая сторонними силами источника тока при наличии в цепи только нагревательного элемента: Р_ст=Р_полн=Iξ= IU+ I²r

Следовательно, Р_полн=Р_полезн+ I²r

Отношение полезной мощности Р_полезн тока на внешнем участке цепи к полной мощности Р_полн , развиваемой сторонними силами источника тока, называют коэффициентом полезного действия (КПД) источника тока в данной цепи: