Номер 9, страница 175, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Лабораторные работы - номер 9, страница 175.

Условие.

9. Измерение работы и мощности электрического тока. Изучение теплового действия тока и нахождение КПД электрического нагревателя

Цель работы: измерить работу и мощность электрического тока, изучить тепловое действие тока, измерить коэффициент полезного действия нагревателя.

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр (или цифровые датчики тока и напряжения), калориметр с нагревателем, термометр (или датчик температуры), измерительный цилиндр, сосуд с водой, часы.

Подготовка к работе

Прочитайте описание работы и повторите § 21, п. 1, 2.

Содержание работы

В данной работе находят количество теплоты, полученное водой в калориметре от нагревателя за определённый промежуток времени, а также работу электрического тока в нагревателе за тот же промежуток времени. Сравнивая результаты этих опытов, находят КПД электрического нагревателя.

Ход работы

1. Изучение теплового действия электрического тока.

Налейте в калориметр 100 мл воды и измерьте её температуру $t_{\text{Н}}$. Результаты измерений с указанием погрешностей записывайте в таблицу.

$m_{\text{В}}$, кг$t_{\text{Н}}$, $^\circ$C$t_{\text{К}}$, $^\circ$C$Q_{\text{В}}$, Дж$\text{I}$, А$\text{U}$, В$\tau$, с$\text{A}$, Дж$\eta$, %

Погрузите нагреватель в воду и соберите электрическую цепь (рис. 3).

Включите нагреватель. Измерьте силу тока $\text{I}$ в нагревателе и напряжение $\text{U}$ на нём. Запишите показания амперметра и вольтметра с указанием погрешностей.

Через промежуток времени $\tau = 10$ мин выключите нагреватель и сразу же измерьте конечную температуру воды $t_{\text{К}}$. Запишите результат с указанием погрешности.

Используя результаты измерений и справочные данные, рассчитайте полученное водой количество теплоты $Q_{\text{В}}$. Запишите результат без указания погрешности.

2. Измерение работы и мощности электрического тока.

Используя результаты измерений, найдите работу тока за указанный промежуток времени, а также мощность тока. Запишите расчёт и результаты без указания погрешностей.

3. Нахождение КПД теплового нагревателя.

Используя результаты измерений и расчётов, найдите значение КПД нагревателя в проведённом опыте. Запишите расчёт и результат без указания погрешности.

Решение.

Поскольку данное изображение описывает лабораторную работу, для решения необходимо задать примерные значения, которые могли бы быть получены в ходе эксперимента.

Дано:

$V = 100 \text{ мл}$ (объем воды)

$\tau = 10 \text{ мин}$ (время нагрева)

$t_н = 20^\circ\text{C}$ (начальная температура воды, примерное значение)

$t_к = 50^\circ\text{C}$ (конечная температура воды, примерное значение)

$I = 2 \text{ А}$ (сила тока, примерное значение)

$U = 12 \text{ В}$ (напряжение, примерное значение)

$c_в = 4200 \text{ Дж/(кг} \cdot {^\circ\text{C}})$ (удельная теплоемкость воды)

$\rho_в = 1000 \text{ кг/м}^3$ (плотность воды)

Перевод в систему СИ:

$V = 100 \text{ мл} = 100 \text{ см}^3 = 100 \cdot 10^{-6} \text{ м}^3 = 10^{-4} \text{ м}^3$

$\tau = 10 \text{ мин} = 10 \cdot 60 \text{ с} = 600 \text{ с}$

Найти:

$Q_в$ - количество теплоты, полученное водой

$\text{A}$ - работа электрического тока

$\text{P}$ - мощность электрического тока

$\eta$ - КПД нагревателя

Решение:

1. Изучение теплового действия электрического тока.

Сначала определим массу воды $m_в$ по её объему $\text{V}$ и плотности $\rho_в$:

$m_в = \rho_в \cdot V = 1000 \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10^{-4} \text{ м}^3 = 0.1 \text{ кг}$

Далее рассчитаем количество теплоты $Q_в$, полученное водой при нагревании (полезная теплота), по формуле:

$Q_в = c_в \cdot m_в \cdot (t_к - t_н)$

Подставим числовые значения:

$Q_в = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^\circ\text{C}}} \cdot 0.1 \text{ кг} \cdot (50^\circ\text{C} - 20^\circ\text{C}) = 420 \cdot 30 \text{ Дж} = 12600 \text{ Дж}$

Ответ: Количество теплоты, полученное водой, $Q_в = 12600 \text{ Дж}$.

2. Измерение работы и мощности электрического тока.

Работа электрического тока $\text{A}$ (затраченная энергия) вычисляется по формуле:

$A = U \cdot I \cdot \tau$

Подставим измеренные значения:

$A = 12 \text{ В} \cdot 2 \text{ А} \cdot 600 \text{ с} = 14400 \text{ Дж}$

Мощность электрического тока $\text{P}$ можно найти по формуле:

$P = U \cdot I$

$P = 12 \text{ В} \cdot 2 \text{ А} = 24 \text{ Вт}$

Ответ: Работа тока $A = 14400 \text{ Дж}$, мощность тока $P = 24 \text{ Вт}$.

3. Нахождение КПД теплового нагревателя.

Коэффициент полезного действия (КПД) нагревателя $\eta$ – это отношение полезной энергии (теплоты, полученной водой $Q_в$) к полной затраченной энергии (работе тока $\text{A}$), выраженное в процентах.

$\eta = \frac{Q_в}{A} \cdot 100\%$

Подставим рассчитанные значения:

$\eta = \frac{12600 \text{ Дж}}{14400 \text{ Дж}} \cdot 100\% = \frac{126}{144} \cdot 100\% = 0.875 \cdot 100\% = 87.5\%$

Ответ: КПД нагревателя $\eta = 87.5\%$.