Przejdź do treści

Praca i moc prądu

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

Otwórz pełną wersję ↗

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

  1. Zapisać moc \(P\) z górnego wiersza wyświetlacza.
  2. Nacisnąć ▶■, a po 10–20 s nacisnąć go ponownie, aby zatrzymać zliczanie. Zapisać energię \(E\) (przycisk W) i czas \(t\) (przycisk t).
  3. Obliczyć \(P = E / t\) i porównać ze wskazaniem górnego wiersza.
  4. 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

  1. W co zamienia się praca wykonana przez prąd w żarówce?
  2. Dlaczego przy połowie napięcia moc żarówki zmalała nie czterokrotnie, jak w przypadku opornika?
  3. Ile dżuli to 1 W · h?
Odpowiedzi
  1. 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.
  2. 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.
  3. 1 W · h = 1 W · 3600 s = 3600 J. Żarówka w tym układzie zużywa w ciągu godziny 2,75 W · 3600 s ≈ 9900 J.