전류의 일과 전력

교육과정: KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2

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목표

전구가 소비하는 전력과 전류가 일정 시간 동안 전달하는 에너지를 측정하고, \(E = P \cdot t\)임을 확인합니다.

실험 장치

6 V 전압원, 전력계, 6 V / 3 W 전구. 전력계의 전류 회로(단자 “±”와 “A”)는 전구와 직렬로, 전압 회로(단자 “±”와 “V”)는 전구 양단에 연결되어 있습니다. 디스플레이의 윗줄은 전력, 아랫줄은 에너지 또는 누적 시간이며, W 버튼과 t 버튼으로 둘 사이를 전환합니다. ▶■ 버튼을 누르기 전에는 누적이 멈춰 있습니다.

실험 방법

1. 디스플레이 윗줄의 전력 \(P\)를 기록하세요.
2. ▶■를 누르고 10–20 s 뒤 다시 눌러 누적을 멈추세요. 에너지 \(E\)(W 버튼)와 시간 \(t\)(t 버튼)를 기록하세요.
3. \(P = E / t\)를 계산하고 윗줄의 측정값과 비교하세요.
4. 전압원을 3 V로 설정하고 전력을 다시 기록하세요.

예상 결과

전구는 약 2.75 W를 소비하며, 이는 정격보다 조금 작습니다. 전압의 일부가 전압원 내부에서 강하합니다. 예를 들어 10.8 s 동안 누적값은 약 29.7 J에 이르고, \(E / t\) = 2.75 W로 윗줄의 값과 같습니다. 3 V에서는 전력이 약 0.89 W입니다. 전압은 절반으로 줄었지만 전력은 4배가 아니라 3.1배만 줄었습니다. 필라멘트의 온도가 더 낮고, 그 저항도 더 작습니다.

질문

1. 전구에서 전류가 한 일은 무엇으로 바뀝니까?
2. 전압이 절반일 때 전구의 전력은 왜 저항에서처럼 4분의 1로 줄지 않았습니까?
3. 1 W · h는 몇 J입니까?

답

1. 뜨거운 필라멘트의 내부 에너지로 바뀌고, 전구는 이를 열과 빛으로 내보냅니다. 2.75 W 가운데 대부분은 열과 적외선으로 나가고, 가시광선은 몇 퍼센트에 불과합니다.
2. 저항에서는 \(R\)이 일정할 때 \(P = U^2 / R\)이므로 전압이 절반이면 전력은 4분의 1이 됩니다. 텅스텐 필라멘트의 저항은 온도가 높을수록 커집니다. 3 V에서는 필라멘트의 온도가 낮아 저항도 작으므로, 전류는 절반보다 덜 줄어들고 전력은 2.75 W에서 0.89 W로 3.1배만 줄어듭니다.
3. 1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J입니다. 이 실험 장치의 전구는 한 시간에 2.75 W · 3600 s ≈ 9900 J을 씁니다.