Работа и мощность тока
Программы: KS3, GCSE, cycle 4, 1re (effet Joule), Sek I, AP2
Цель¶
Измерить мощность, которую потребляет лампочка, и энергию, которую ток передаёт за определённое время; проверить, что \(E = P \cdot t\).
Установка¶
Источник 6 В, ваттметр и лампочка 6 В / 3 Вт. Токовая цепь ваттметра (клеммы «±» и «A») включена последовательно с лампочкой, цепь напряжения (клеммы «±» и «V») — параллельно лампочке. Верхняя строка дисплея — мощность, нижняя — энергия или время счёта: между ними переключают клавиши A и t. Счёт не идёт, пока не нажата клавиша ▶■.
Ход работы¶
- Запишите мощность \(P\) с верхней строки дисплея.
- Нажмите клавишу ▶■ и через 10–20 с нажмите её ещё раз, чтобы остановить счёт. Запишите энергию \(E\) (клавиша A) и время \(t\) (клавиша t).
- Вычислите \(P = E / t\) и сравните с показанием верхней строки.
- Установите на источнике 3 В и снова запишите мощность.
Ожидаемый результат
Лампочка потребляет около 2,75 Вт — немного меньше номинала: часть напряжения падает внутри источника. Например, счётчик за 10,8 с набирает около 29,7 Дж, и \(E / t\) = 2,75 Вт — столько же, сколько на верхней строке. При 3 В мощность около 0,89 Вт: напряжение уменьшилось вдвое, а мощность — только в 3,1 раза, а не в 4. Нить холоднее, и её сопротивление меньше.
Вопросы¶
- Во что превращается работа тока в лампочке?
- Почему при вдвое меньшем напряжении мощность лампочки уменьшилась не в четыре раза, как было бы у резистора?
- Сколько джоулей составляет 1 Вт · ч?
Ответы
- Во внутреннюю энергию раскалённой нити, которую лампочка отдаёт в виде тепла и света. Из 2,75 Вт большая часть уходит в виде тепла и инфракрасного излучения; на видимый свет приходится лишь несколько процентов.
- Для резистора \(P = U^2 / R\) при постоянном \(R\), поэтому вдвое меньшее напряжение даёт вчетверо меньшую мощность. Сопротивление вольфрамовой нити растёт с её температурой: при 3 В нить холоднее и её сопротивление меньше, поэтому ток уменьшается меньше чем вдвое, а мощность — только в 3,1 раза, с 2,75 Вт до 0,89 Вт.
- 1 Вт · ч = 1 Вт · 3600 с = 3600 Дж. Лампочка в этой установке расходует за час 2,75 Вт · 3600 с ≈ 9900 Дж.