Temat

Praca prądu elektrycznego

Etap edukacyjny

Drugi

Podstawa programowa

VI. Elektryczność. Uczeń:

10) posługuje się pojęciem pracy i mocy prądu elektrycznego wraz z ich jednostkami; stosuje do obliczeń związki między tymi wielkościami; przelicza energię elektryczną wyrażoną w kilowatogodzinach na dżule i odwrotnie.

Czas

45 minut

Ogólny cel kształcenia

Wyprowadzenie wzoru na pracę prądu stałego.

Kształtowane kompetencje kluczowe

1. Przypomnienie definicji napięcia.

2. Wyprowadzenie wzoru na pracę w trzech postaciach.

3. Stosowanie wzoru na pracę w sytuacjach typowych i nowych.

Cele (szczegółowe) operacyjne

Uczeń:

- potrafi wyprowadź wzór na pracę prądu elektrycznego,

- stosuje różne wzory na pracę prądu elektrycznego w zależności od potrzeb.

Metody kształcenia

1. Pogadanka przedstawiająca nowe wiadomości.

2. Dyskusja rozwijająca się w toku wspólnego rozwiązywania problemu przez klasę lub grupę.

Formy pracy

1. Praca indywidualna lub w grupach.

2. Współpraca uczniów z nauczycielem podczas dyskusji rozwijającej.

Etapy lekcji

Wprowadzenie do lekcji

Przygotuj odpowiedzi na następujące pytania wprowadzające do lekcji.

1. Co to jest prąd elektryczny?

2. Co to jest natężenie prądu elektrycznego?

3. Co to jest napięcie?

4. Przedstaw prawo Ohma.

5. Od czego zależy opór przewodnika?

Realizacja lekcji

Definicja napięcia (przypomnienie).

Napięcie elektryczne między końcami przewodnika jest równe liczbowo pracy, jaką wykonują siły elektryczne przy przesunięciu wewnątrz przewodnika ładunku jednego kulomba.

Definicja napięcia w postaci wzoru:

Z powyższego wzoru łatwo daje się wyznaczyć pracę wykonywaną przez siły elektryczne:

Zazwyczaj w praktyce bardzo rzadko znamy jaki ładunek przepłynął przez dany odbiornik energii elektrycznej. Natomiast w dość prosty sposób możemy zmierzyć natężenie prądu płynącego przezeń.

Korzystając z definicji natężenia prądu elektrycznego:

możemy bezpośrednio wyznaczyć ładunek, który przepłynął przez odbiornik energii elektrycznej:

Po wstawieniu otrzymanej zależności do wzoru na pracę otrzymamy ostatecznie poszukiwany wzór końcowy:

gdzie:
W – praca wykonana przez siły elektryczne,
U – napięcie panujące na końcach odbiornika energii elektrycznej,
I – natężenie prądu przepływającego przez odbiornik energii elektrycznej,
t – czas trwania przepływu prądu.

Jakie mogą być skutki przepływu prądu?

- cieplne

Przykład:
Elektrony w spirali żelazka zderzają się nieustannie z atomami, pobudzając je do drgań. Zwiększone drgania atomów równoznaczne są ze zwiększeniem temperatury spirali żelazka.

- mechaniczne

Przykład:
Płynący w silniku prąd wymusza oddziaływanie pomiędzy magnesami znajdującymi się we wnętrzu silnika a ruchomymi częściami sinika, powodując ich obrót.

- świetlne

Przykład:
Elektrony zderzając się z atomami włókna żarówki, podgrzewają je, pobudzając do świecenia.

- magnetyczne

Przykład:
Płynący w uzwojeniach elektromagnesu prąd elektryczny powoduje powstanie pola magnetycznego w żelaznym rdzeniu.

- chemiczne

Przykład:
Przepływ prądu przez wodny roztwór kwasu siarkowego powoduje rozpad cząsteczek wody oraz wydzielanie się wodoru i tlenu.

[Slideshow]

Podstawowy wzór opisujący pracę prądu stałego:

czasami bywa mało wygodny w stosowaniu. Ale możemy powyższy wzór trochę zmodyfikować w zależności od potrzeb. Musimy przy tym skorzystać z prawa Ohma.

1. Z prawa Ohma podstawiamy wyrażenie na napięcie $U=I\cdot R$ . Otrzymujemy wtedy:

2. Z prawa Ohma podstawiamy wyrażenie na natężenie prądu elektrycznego $I=\frac{U}{R}$. Otrzymamy wtedy:

Uwaga:
Wszystkie powyższe wzory na pracę prądu stałego są równoważne sobie. Stosujemy je w zależności od danych, którymi dysponujemy.

Co pokazuje licznik energii elektrycznej?

[Ilustracja 1]

Jeżeli przyjrzymy się dokładnie powyższej ilustracji, to odkryjemy symbol kWh. Jest to tzw. kilowatogodzina. Jest to jednostka pracy wykonanej przez prąd elektryczny.

Czy tego chcemy, czy nie zawsze płacimy za wykonaną pracę. Ponieważ w domowych instalacjach elektrycznych zużywamy duże ilości energii, łatwiej wyrażać zużytą energie w kWh.

Podsumowanie lekcji

- Pracę prądu elektrycznego oblicza się ze wzorów:

lub

lub

- Jednostką energii elektrycznej jest dżul (J), ale częściej używa się kilowatogodziny (kWh).

- Jedna kilowatogodzina jest równa energii elektrycznej zużytej w ciągu 1 godziny przez odbiornik o mocy 1 kW. Jest równa 3,6 megadżula: 1 kWh = 3,6 MJ.