Лабораторная работа 8, страница 162 - гдз по физике 8 класс учебник Изергин

Глава III. Постоянный электрический ток. Параграф 27. Электронагревательные приборы. Предохранители - страница 162.

Условие.

Лабораторная работа 8

Определение КПД электрического нагревателя

Цель работы: закрепить навыки сборки электрических цепей, измерения температуры, силы тока и напряжения, навыки расчёта количества теплоты, необходимого для нагревания воды и работы тока.

Приборы и материалы: источник тока, амперметр, вольтметр, ключ, калориметр, термометр, реостат, мензурка, нагревательная спираль, часы, провода (7 шт.).

Порядок выполнения работы

1. Налейте с помощью мензурки в калориметр 100 мл воды комнатной температуры. Измерьте температуру воды.

2. Соберите электрическую цепь по схеме на рисунке 147.

3. После проверки учителем замкните цепь и реостатом установите силу тока 1 А. Значения начальной температуры воды, массы воды, силы тока и напряжения занесите в таблицу 23.

4. Нагревайте воду в течение 10–15 мин. После этого разомкните цепь и снова измерьте температуру воды.

5. Рассчитайте количество теплоты, полученное водой при нагревании по формуле $Q = cm\Delta T$.

6. Рассчитайте количество теплоты, выделенное в проводнике, равное работе тока: $A = IUt$.

7. Рассчитайте КПД нагревательной спирали по формуле:

$\eta = \frac{Q}{A} \cdot 100 \%$.

Рисунок 147. К заданию 2

Таблица 23

m, кг t₁, o C t₂, o C I, A U, В t, с Q, Дж A, Дж η,%

0,1

8. Все результаты занесите в таблицу 23.

9. Сделайте вывод.

Решение.

Для выполнения лабораторной работы необходимо произвести измерения и расчеты. Так как реальный эксперимент не может быть проведен, мы используем реалистичные данные, которые могли бы быть получены в ходе измерений, и на их основе выполним все вычисления.

Предположим, что в ходе эксперимента были получены следующие данные:

• Начальная температура воды: $t_1 = 20 \,^{\circ}\text{C}$
• Напряжение в цепи, измеренное вольтметром: $U = 24 \, \text{В}$
• Время нагревания: $t = 10 \, \text{мин}$
• Конечная температура воды: $t_2 = 50 \,^{\circ}\text{C}$

Остальные данные возьмем из условия задачи и справочников:

• Объем воды: $V = 100 \, \text{мл}$
• Сила тока: $I = 1 \, \text{А}$
• Удельная теплоемкость воды: $c = 4200 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^{\circ}\text{C}}}$
• Плотность воды: $\rho = 1000 \, \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$

Дано:

$V = 100 \, \text{мл}$

$t_1 = 20 \,^{\circ}\text{C}$

$t_2 = 50 \,^{\circ}\text{C}$

$I = 1 \, \text{А}$

$U = 24 \, \text{В}$

$t = 10 \, \text{мин}$

$c = 4200 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^{\circ}\text{C}}}$

$\rho = 1000 \, \frac{\text{кг}}{\text{м}^3}$

Перевод в систему СИ:

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

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

Найти:

$\text{Q}$ - ?

$\text{A}$ - ?

$\eta$ - ?

Решение:

5. Рассчитайте количество теплоты, полученное водой при нагревании по формуле $Q = cm\Delta T$.

Сначала найдем массу воды, зная её объем и плотность:

$m = \rho \cdot V = 1000 \, \frac{\text{кг}}{\text{м}^3} \cdot 10^{-4} \, \text{м}^3 = 0,1 \, \text{кг}$

Теперь найдем изменение температуры воды:

$\Delta T = t_2 - t_1 = 50 \,^{\circ}\text{C} - 20 \,^{\circ}\text{C} = 30 \,^{\circ}\text{C}$

Рассчитаем количество теплоты (полезную энергию), полученное водой:

$Q = c \cdot m \cdot \Delta T = 4200 \, \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot {^{\circ}\text{C}}} \cdot 0,1 \, \text{кг} \cdot 30 \,^{\circ}\text{C} = 12600 \, \text{Дж}$

Ответ: $Q = 12600 \, \text{Дж}$

6. Рассчитайте количество теплоты, выделенное в проводнике, равное работе тока: $A = IUt$.

Рассчитаем работу электрического тока (затраченную энергию):

$A = I \cdot U \cdot t = 1 \, \text{А} \cdot 24 \, \text{В} \cdot 600 \, \text{с} = 14400 \, \text{Дж}$

Ответ: $A = 14400 \, \text{Дж}$

7. Рассчитайте КПД нагревательной спирали по формуле: $\eta = \frac{Q}{A} \cdot 100\%$.

Теперь, зная полезную и затраченную энергию, рассчитаем коэффициент полезного действия (КПД) нагревателя:

$\eta = \frac{Q}{A} \cdot 100\% = \frac{12600 \, \text{Дж}}{14400 \, \text{Дж}} \cdot 100\% = 0,875 \cdot 100\% = 87,5\%$

Ответ: $\eta = 87,5\%$

8. Все результаты занесите в таблицу 23.

Заполненная таблица с результатами измерений и вычислений:

m, кг	t1, °C	t2, °C	I, А	U, В	t, с	Q, Дж	A, Дж	η, %
0,1	20	50	1	24	600	12600	14400	87,5

9. Сделайте вывод.

В ходе выполнения лабораторной работы был определен КПД электрического нагревателя. Были произведены измерения начальной и конечной температуры воды, силы тока и напряжения в цепи, а также времени нагрева. На основе этих данных было рассчитано количество теплоты, полученное водой (полезная работа $Q = 12600 \, \text{Дж}$), и работа, совершенная электрическим током (затраченная работа $A = 14400 \, \text{Дж}$).

Полученный КПД нагревателя составил $\eta = 87,5\%$. Это значение меньше 100%, что является закономерным результатом, поскольку в реальных условиях часть энергии, выделяемой нагревательным элементом, рассеивается в окружающую среду, а также идет на нагрев самого калориметра и термометра, а не только воды. Таким образом, не вся затраченная электрическая энергия превращается в полезную тепловую энергию для нагрева воды.