Экспериментальное задание 12.2, страница 54 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 12.2

Работаем в группе

Измерение мощности электрического тока

Оборудование: источник постоянного тока напряжением 4 В, вольтметр, амперметр, секундомер или часы, нагревательная спираль из металлической проволоки, термометр, калориметр, измерительный цилиндр, весы с разновесом.

Рассчитайте мощность электрического тока на нагревательной спирали при её подключении к источнику тока. Проверьте результаты своих расчётов экспериментально путём измерения количества теплоты, выделяемого спиралью в течение 10 мин.

Порядок выполнения задания

1. Возьмите для выполнения эксперимента нагревательную спираль и калориметр (рис. 12.5). Налейте в алюминиевый стакан калориметра воду массой 150 г и поставьте этот стакан внутрь пластмассового стакана калориметра. Опустите нагревательную спираль внутрь стакана с водой. В отверстие для термометра вставьте термометр (рис. 12.6). Измерьте начальную температуру воды и оставьте термометр в калориметре. Результаты измерений запишите в таблицу.

Рис. 12.5

2. Подключите нагревательную спираль к источнику постоянного тока напряжением 4 В по схеме, представленной на рисунке 12.7. Запустите секундомер или заметьте начальный момент времени по часам.

3. Измерьте силу тока I через резистор и напряжение U на его концах. Результаты измерений запишите в таблицу.

4. Вычислите мощность N₁ тока на спирали:

$N_1 = IU$

Результаты вычислений запишите в таблицу.

Рис. 12.6

Рис. 12.7

5. Через $t = 10$ мин разомкните электрическую цепь и запишите показания термометра $t_2$ в таблицу. Вычислите изменение температуры $\Delta t$ и запишите в таблицу.

6. Вычислите количество теплоты, полученное водой и стаканом калориметра в результате работы электрического тока в резисторе:

$Q = c_1m_1\Delta t + c_2m_2\Delta t$

Удельная теплоёмкость $c_1$ воды равна 4200 Дж/(кг • °С), удельная теплоёмкость $c_2$ алюминия равна 930 Дж/(кг • °С). Массу $m_2$ алюминиевого стакана калориметра определите взвешиванием.

7. Вычислите мощность $N_2$ теплопередачи от нагревательной спирали воде:

$N_2 = \frac{Q}{t}$

Результаты вычислений запишите в таблицу. Сравните полученное значение мощности $N_2$ теплопередачи от нагревательной спирали воде с расчётным значением мощности $N_1$ электрического тока.

Таблица 12.2

m₁, кг m₂, кг t₁, °C t₂, °C $\Delta t$, °C I, А U, В N₁, Вт Q, Дж N₂, Вт

Поскольку данное задание является описанием лабораторной работы, для проведения расчетов будут использованы гипотетические, но физически правдоподобные экспериментальные данные, которые могли бы быть получены в ходе ее выполнения.

Дано:

Масса воды, $m_1 = 150 \text{ г}$

Время нагрева, $t = 10 \text{ мин}$

Удельная теплоемкость воды, $c_1 = 4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}}$

Удельная теплоемкость алюминия, $c_2 = 930 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}}$

Предполагаемые результаты измерений (п. 1-3, 5):

Масса алюминиевого стакана, $m_2 = 70 \text{ г}$

Начальная температура, $t_1 = 20.0 \text{ °C}$

Сила тока, $I = 1.5 \text{ А}$

Напряжение, $U = 3.8 \text{ В}$

Конечная температура (через 10 мин), $t_2 = 24.5 \text{ °C}$

Перевод в систему СИ:

$m_1 = 150 \text{ г} = 0.15 \text{ кг}$

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

$m_2 = 70 \text{ г} = 0.07 \text{ кг}$

Найти:

$N_1$, $\Delta t$, $\text{Q}$, $N_2$. Сравнить $N_1$ и $N_2$.

Решение:

4. Вычислите мощность $N_1$ тока на спирали

Мощность электрического тока вычисляется по формуле произведения силы тока на напряжение:

$N_1 = I \cdot U$

Подставляем измеренные значения:

$N_1 = 1.5 \text{ А} \cdot 3.8 \text{ В} = 5.7 \text{ Вт}$

Ответ: $N_1 = 5.7 \text{ Вт}$.

5. Вычислите изменение температуры $\Delta t$

Изменение температуры равно разности конечной и начальной температур:

$\Delta t = t_2 - t_1$

Подставляем измеренные значения:

$\Delta t = 24.5 \text{ °C} - 20.0 \text{ °C} = 4.5 \text{ °C}$

Ответ: $\Delta t = 4.5 \text{ °C}$.

6. Вычислите количество теплоты $\text{Q}$

Количество теплоты $\text{Q}$, полученное водой и алюминиевым стаканом, рассчитывается как сумма теплоты, поглощенной водой ($Q_1$) и стаканом ($Q_2$):

$Q = Q_1 + Q_2 = c_1m_1\Delta t + c_2m_2\Delta t = (c_1m_1 + c_2m_2)\Delta t$

Подставляем известные и вычисленные значения:

$Q = (4200 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}} \cdot 0.15 \text{ кг} + 930 \frac{\text{Дж}}{\text{кг} \cdot \text{°C}} \cdot 0.07 \text{ кг}) \cdot 4.5 \text{ °C}$

$Q = (630 \frac{\text{Дж}}{\text{°C}} + 65.1 \frac{\text{Дж}}{\text{°C}}) \cdot 4.5 \text{ °C} = 695.1 \frac{\text{Дж}}{\text{°C}} \cdot 4.5 \text{ °C} = 3127.95 \text{ Дж}$

Ответ: $Q \approx 3128 \text{ Дж}$.

7. Вычислите мощность $N_2$ теплопередачи и сравните мощности

Тепловая мощность $N_2$ (скорость получения тепла системой) определяется как отношение полученной теплоты $\text{Q}$ ко времени нагрева $\text{t}$:

$N_2 = \frac{Q}{t}$

Подставляем значения:

$N_2 = \frac{3127.95 \text{ Дж}}{600 \text{ с}} \approx 5.213 \text{ Вт}$

Теперь сравним полученное значение мощности теплопередачи $N_2$ с расчётным значением мощности электрического тока $N_1$.

Расчетная мощность электрического тока: $N_1 = 5.7 \text{ Вт}$.

Экспериментально определенная тепловая мощность: $N_2 \approx 5.21 \text{ Вт}$.

Сравнивая эти два значения, видим, что $N_1 > N_2$. Это означает, что мощность, выделяемая электрическим током в спирали, больше, чем мощность, идущая на нагрев воды и калориметра. Разница объясняется неизбежными тепловыми потерями в окружающую среду (в воздух, на стол и т.д.) в ходе эксперимента. Закон сохранения энергии выполняется, но не вся выделенная энергия идет на полезный нагрев в рамках данной измерительной системы.

Потери мощности составляют: $\Delta N = N_1 - N_2 = 5.7 \text{ Вт} - 5.21 \text{ Вт} = 0.49 \text{ Вт}$.

Ответ: Мощность теплопередачи $N_2 \approx 5.21 \text{ Вт}$. Сравнение показывает, что мощность электрического тока $N_1$ больше мощности теплопередачи $N_2$, что обусловлено потерями тепла в окружающую среду.