Praca i moc prądu
Podstawy programowe: KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2
Cel¶
Zmierzyć moc pobieraną przez żarówkę i energię dostarczaną przez prąd w czasie; sprawdzić, że \(E = P \cdot t\).
Układ¶
Źródło 6 V, watomierz i żarówka 6 V / 3 W. Obwód prądowy watomierza (zaciski „±” i „A”) jest połączony szeregowo z żarówką, a obwód napięciowy (zaciski „±” i „V”) — równolegle do żarówki. Górny wiersz wyświetlacza to moc, dolny — energia lub czas zliczania: między nimi przełączają przyciski W i t. Zliczanie jest zatrzymane, dopóki nie zostanie naciśnięty przycisk ▶■.
Przebieg doświadczenia¶
- Zapisać moc \(P\) z górnego wiersza wyświetlacza.
- Nacisnąć ▶■, a po 10–20 s nacisnąć go ponownie, aby zatrzymać zliczanie. Zapisać energię \(E\) (przycisk W) i czas \(t\) (przycisk t).
- Obliczyć \(P = E / t\) i porównać ze wskazaniem górnego wiersza.
- Ustawić na źródle 3 V i ponownie zapisać moc.
Oczekiwany wynik
Żarówka pobiera około 2,75 W — nieco mniej niż jej moc znamionowa: część napięcia odkłada się wewnątrz źródła. Na przykład w ciągu 10,8 s licznik dochodzi do około 29,7 J, a \(E / t\) = 2,75 W — tyle samo, co w górnym wierszu. Przy 3 V moc wynosi około 0,89 W: napięcie zmalało o połowę, a moc tylko 3,1 raza, nie 4. Włókno jest chłodniejsze, a jego opór mniejszy.
Pytania¶
- W co zamienia się praca wykonana przez prąd w żarówce?
- Dlaczego przy połowie napięcia moc żarówki zmalała nie czterokrotnie, jak w przypadku opornika?
- Ile dżuli to 1 W · h?
Odpowiedzi
- W energię wewnętrzną rozgrzanego włókna, którą żarówka oddaje w postaci ciepła i światła. Z 2,75 W większość uchodzi jako ciepło i promieniowanie podczerwone; światło widzialne to tylko kilka procent.
- Dla opornika \(P = U^2 / R\) przy stałym \(R\), więc połowa napięcia daje ćwierć mocy. Opór włókna wolframowego rośnie wraz z jego temperaturą: przy 3 V włókno jest chłodniejsze, a jego opór mniejszy, więc natężenie prądu maleje mniej niż o połowę, a moc maleje tylko 3,1 raza, z 2,75 W do 0,89 W.
- 1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J. Żarówka w tym układzie zużywa w ciągu godziny 2,75 W · 3600 s ≈ 9900 J.