Номер 3, страница 173 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

3. Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

3. Как можно объяснить нагревание проводника электрическим током?

Нагревание проводника при прохождении по нему электрического тока объясняется на микроскопическом уровне взаимодействием движущихся заряженных частиц (в металлах — свободных электронов) с ионами кристаллической решетки вещества проводника.

Процесс можно описать следующими шагами:

1. Электрическое поле, создаваемое в проводнике, заставляет свободные электроны двигаться упорядоченно, создавая электрический ток.

2. Под действием поля электроны ускоряются, и их кинетическая энергия увеличивается.

3. Двигаясь по проводнику, электроны постоянно сталкиваются с ионами, находящимися в узлах кристаллической решетки.

4. При этих столкновениях электроны передают часть своей кинетической энергии ионам решетки.

5. Получив дополнительную энергию, ионы начинают колебаться с большей амплитудой. Увеличение интенсивности колебаний ионов кристаллической решетки и есть увеличение внутренней энергии проводника, что макроскопически проявляется как его нагревание.

Таким образом, работа, совершаемая электрическим полем по перемещению зарядов, преобразуется во внутреннюю энергию проводника, то есть в теплоту.

Ответ: Нагревание проводника электрическим током объясняется тем, что движущиеся под действием электрического поля свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки и передают им свою энергию, что приводит к увеличению внутренней энергии проводника и его нагреву.

4. Пользуясь законом сохранения энергии и законом Ома, выведите закон Джоуля-Ленца.

Решение

Рассмотрим участок цепи с сопротивлением $R$, по которому протекает ток $I$ в течение времени $t$. На концах этого участка существует напряжение (разность потенциалов) $U$.

1. Работа электрического поля $A$ по перемещению заряда $q$ на данном участке цепи определяется по формуле: $A = qU$

2. Заряд $q$, прошедший через поперечное сечение проводника за время $t$, связан с силой тока $I$ соотношением: $q = It$

3. Подставим выражение для заряда в формулу работы: $A = (It)U = UIt$

4. Согласно закону сохранения энергии, если на рассматриваемом участке цепи не совершается механическая работа и не происходят химические превращения, то вся работа электрического тока переходит во внутреннюю энергию проводника, то есть выделяется в виде количества теплоты $Q$. $Q = A$ Следовательно, количество теплоты, выделившееся в проводнике, равно: $Q = UIt$

5. Теперь воспользуемся законом Ома для участка цепи, который связывает напряжение $U$, силу тока $I$ и сопротивление $R$: $U = IR$

6. Подставим выражение для напряжения $U$ из закона Ома в формулу для количества теплоты $Q$: $Q = (IR)It = I^2Rt$

Это и есть математическое выражение закона Джоуля-Ленца. Оно показывает, что количество теплоты, выделяющееся в проводнике, прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени прохождения тока.

Ответ: Работа электрического поля по перемещению заряда $q$ на участке с напряжением $U$ равна $A = qU$. Так как $q = It$, то $A = UIt$. По закону сохранения энергии эта работа переходит в теплоту $Q = A = UIt$. Используя закон Ома $U=IR$, получаем $Q = (IR)It = I^2Rt$, что и является законом Джоуля-Ленца.