birmaga.ru
добавить свой файл

1
Интегрированный урок на тему:

«Мощность во внешней цепи и коэффициент полезного действия источника тока»


(10 - 11 класс)
ГОУ средняя школа № 310 Фрунзенского района Санкт-Петербурга
Учителя: учитель физики Каменьщикова Е.В. учитель информатики Скорятина О.П.
Цель урока:


  • по содержанию: ученики должны изучить зависимости мощности электрического тока во внешней цепи и КПД источника от внешнего сопротивления, используя компьютерные технологии (электронные таблицы Excel);

  • по организации деятельности: ознакомиться с последовательностью и назначением этапов решения физической задачи на компьютере.


Образовательные задачи:


  • формирование умений учащихся применять теоретический материал для решения задач;

  • формирование умений учащихся не только получать общие формулы, но и исследовать их, используя построение графиков;

  • формирование умений учащихся использовать новые информационные технологии (электронные таблицы) для решения поставленной задачи (выполнить расчёты и построить графики);

  • показать возможности компьютера при решении задач, в которых по одной и той же формуле необходимо провести вычисления многократно:

  1. повышение оперативности производимых расчётов;

  2. быстрое построение графиков полученных зависимостей, что позволяет более наглядно устанавливать зависимости одних физических величин от других, глубже исследовать задачи с физическим содержанием;

  • изучить зависимость мощности электрического тока во внешней цепи и КПД источника от внешнего сопротивления;

  • убедиться в том, что условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД несовместимы.


Воспитательные задачи:


  • расширить политехнические знания учащихся:
  1. об использовании энергии источников тока;


  2. о вреде короткого замыкания.

  • формирование навыков культуры труда при проведении физического вычислительного эксперимента с использованием компьютера;

  • воспитание положительного отношения учеников к работе на уроке, внимательности, сосредоточенности, аккуратности, точности выполнения заданий.


Задачи развития учащихся:


  • формирование умений учащихся делать выводы из проводимых исследований;

  • формирование умений учащихся применять знания по информатике и математике для решения физических задач;

  • овладение логикой решения физических задач на компьютере.


Структура урока:


  1. Организация начала урока (1 мин);

  2. Постановка цели урока (1,5 мин);

  3. Организация работы дома (0,5 мин);

  4. Постановка задачи (2 мин);

  5. Построение математической модели (5 мин);

  6. Разработка алгоритма решения (7 мин);

  7. Осуществление алгоритма решения с использованием электронных таблиц Excel (15 мин);

  8. Подведение итогов:

  • анализ и обобщение полученных результатов (7 мин);

  • выставление оценок за работу на уроке (1 мин).


Ход урока





  1. Организация начала урока



Взаимное приветствие. Внимание к организации рабочих мест. Обеспечение делового настроя учащихся.





  1. Постановка цели урока

Продолжаем изучать тему «Законы постоянного тока». Сегодня на уроке рассмотрим практически важный вопрос об использовании энергии источника тока.


Цель урока: получить и изучить энергетические соотношения в цепи постоянного тока, исследовать зависимость мощности электрического тока во внешней цепи и КПД источника от внешнего сопротивления, применяя при этом компьютерные технологии.

Вы научитесь не только получать общие формулы, но и исследовать их, используя построение графиков; делать выводы из проводимых исследований.

Для решения задачи с практическим содержанием необходимо применить знания, приобретенные на уроках информатики и математики.

При выполнении заданий старайтесь быть сосредоточенными и внимательными.



  1. Организация работы дома

Запишите в дневники домашнее задание: повторить материал параграфов 57, 59 из учебника, решить задачи № 1602, 1619, 1637 из сборника задач Г.Н. Степановой. Задачи на расчёт полной и полезной мощности, а также КПД цепи.




  1. Постановка задачи

Предлагаю Вам решить задачу, содержащую данные с лабораторного стола.

Познакомимся с её условием (учитель читает вслух, ученики следят по тексту, представленному в инструкции):
Демонстрационный школьный реостат со спиралями, рассчитанными на 1, 2, 2 и 5 Ом, включен в цепь батареи гальванических элементов с ЭДС  =9 В и внутренним сопротивлением r=3Ом. С помощью реостата сопротивление внешней цепи последовательно меняют от 0 до 10 Ом (с шагом ΔR =1 Ом). Найти зависимость мощности, выделяемой во внешней цепи, а также КПД источника тока от сопротивления внешней цепи. Построить графики этих зависимостей. Выяснить, при каком сопротивлении внешней цепи мощность электрического тока в ней максимальна. Каков при этом КПД батареи?
Схема цепи представлена в инструкции. Из каких составных частей состоит эта цепь?

Ученик: Цепь состоит из батареи гальванических элементов, плавкого предохранителя, школьного реостата и ключа, соединённых последовательно.

Сделаем краткую запись условия задачи, выделив, что дано и что требуется найти.

Запишите самостоятельно, что дано, и кто-нибудь расскажет всем, что зафиксировал в отчёте.

Дано: Вывод формул

=9 В



r =3 Ом

R = 0- 10 Ом

ΔR = 1 Ом
Найти зависимости

P(R) и (R).

Построить графики

этих зависимостей.


Найти: 1) R, при

котором Pmax.

2) , при котором Pmax.



  1. Построение математической модели

Прежде чем строить графики, необходимо создать математическую модель процесса, то есть установить формулы, связывающие физические величины, которые требуется найти, с исходными данными.

Сделаем вывод формул для расчёта мощности, выделяемой во внешней цепи, и КПД источника тока. Прошу вас выходить к доске и выполнять необходимые действия. У каждого данный вывод должен быть представлен в отчёте.

Беседа с классом





  1. Вспомните, что такое мощность электрического тока. Запишите формулу, которая является определением мощности.


Ответ: Мощность электрического тока – величина, равная работе тока, совершаемой в единицу времени.
P=A/t (1)


  1. По какой формуле можно найти работу тока на участке цепи?


Ответ: A = I*U*t (2)

Работа электрического тока на участке цепи равна произведению силы тока, напряжения на концах этого участка и времени, в течение которого совершалась работа.




  1. По какой формуле находится напряжение на участке цепи, если известны сила тока и сопротивление данного участка?


Ответ: U = I*R (3)

Из закона Ома для участка цепи следует, что напряжение на концах участка цепи равно произведению силы тока на сопротивление этого участка.




  1. Подставим выражение (3) в формулу работы тока (2) и получим ещё одну формулу для нахождения работы тока на участке цепи.


Ответ: A = I^2*R*t (4)


  1. Выражение для работы тока (4) подставим в формулу мощности тока (1). Что получится?


Ответ: P = I^2*R (5)

Мощность во внешней цепи равна произведению квадрата силы тока на внешнее сопротивление.




  1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи и запишите его математическое выражение.


Ответ: Сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС источника и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи.

I = /(R+r ) (6)




  1. Подставим выражение (6) в формулу (5) и получим формулу (7), по которой будем рассчитывать полезную мощность, то есть мощность, выделяющуюся во внешней цепи

P = ^2*R/(R+r)^2 (7)




  1. Проверим правильность полученной формулы, сделав действия с наименованиями физических величин:

[P] = [ В*В* Ом/Ом*Ом = В*В/Ом = А*В = Вт ]


При практическом использовании источников тока важна не только мощность, но и их коэффициент полезного действия.

  1. Что такое КПД источника в цепи?


Ответ: КПД источника – это отношение полезной мощности к полной мощности, развиваемой источником.

 = P/Po (8)



  1. Как можно представить полную мощность источника, учитывая, что некоторая мощность Pi = I^2*r тратится бесполезно на выделение тепла внутри источника?


Ответ: Po = I^2*R + I^2*r (9)


  1. Подставим выражения (5) и (9) в формулу (8) и получим формулу для расчёта КПД батареи.


Ответ:  = I^2*R/I^2*(R+r) = R/(R+r) (10)

КПД зависит от сопротивления нагрузки.


Мы установили функциональные зависимости между физическими величинами.


  1. Разработка алгоритма решения

Разработаем последовательность действий, которую нужно выполнить для построения графиков полученных зависимостей.

Сначала необходимо вычислить мощность, выделяемую во внешней цепи и КПД батареи при значениях внешнего сопротивления от 0 до 10 Ом (с шагом ΔR = 1Ом), записав результаты в соответствующие таблицы.

Мы решаем задачу, в которой по одним и тем формулам следует провести вычисления многократно. Повысить оперативность производимых расчётов, быстро и качественно построить графики полученных зависимостей позволит применение компьютерных технологий. Поэтому данный урок проводим в кабинете информатики.

Как вы считаете, какие компьютерные технологии можно использовать для решения поставленной задачи?

Ответ: Можно использовать электронные таблицы Excel.
После того, как вы построите графики зависимости мощности электрического тока во внешней цепи и КПД источника тока от внешнего сопротивления, вам необходимо будет провести некоторые исследования и сделать выводы. Для тех, кто выполнит основное задание, предлагается сделать дополнительные исследования. (Все задания сформулированы в инструкциях, выданных каждому ученику). В конце урока мы проанализируем и обобщим полученные вами результаты.

Инструктаж по применению компьютерных технологий проведёт учитель информатики.


Учитель информатики: Для построения графиков воспользуемся электронными таблицами Excel.

  1. Протабулируем функции (7) и (10) (составим таблицы значений зависимости функции от аргумента). Зададим  = 9 В, r = 3 Ом и построим таблицы

R, Ом

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Р, Вт



































R, Ом

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

КПД



































При заполнении таблиц используйте копирование чисел и формул маркером (выделяйте формулу или несколько чисел и «протаскивайте» их маркером [+] при нажатой левой кнопке мыши).

Не забывайте, что значения  и r находятся в конкретных ячейках и при копировании формул эти ячейки не должны менять адреса (воспользуйтесь абсолютной ссылкой, «заморозьте» адрес с помощью значка $).



  1. Для построения графика выделим нужную таблицу и воспользуемся мастером диаграмм. Выберем диаграмму точечная и построим график, следуя указаниям раскрывающихся диалоговых окон и используя кнопки далее и готово.




  1. Осуществление алгоритма решения с использованием электронных таблиц Excel

Ученики выполняют необходимые вычисления и строят графики, используя электронные таблицы Excel, делают выводы из проведённых исследований.




  1. Подведение итогов


а) Анализ и обобщение полученных результатов

Беседа с классом





  1. Как изменяется полезная мощность, то есть мощность, выделяемая во внешней цепи, с увеличением внешнего сопротивления?


Ответ: По графику видно, что при R=0 (то есть при коротком замыкании источника) P=0; с увеличением R мощность, выделяемая во внешней цепи, сначала возрастает, а затем уменьшается. Функция Р(R) имеет максимум.


  1. При каком значении сопротивления внешней цепи мощность тока в ней получилась наибольшей?


Ответ: P=Pmax при R=3 Ом.


  1. При каком соотношении внешнего и внутреннего сопротивлений достигается максимальная мощность во внешней цепи? Сформулируйте вывод № 1.


Ответ: Мощность, выделяемая во внешней цепи, достигает наибольшего значения, если сопротивление внешней цепи равно внутреннему сопротивлению источника.

P=Pmax, если R=r.

Такую нагрузку называют согласованной.


  1. Каков при этом КПД источника?


Ответ: В этом случае =0,5 (=50%).


  1. Совместимы ли условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД? Сформулируйте вывод № 2.

Ответ: Условия получения наибольшей полезной мощности и наибольшего КПД несовместимы. Когда полезная мощность достигает максимального значения, КПД равен 0,5 (составляет всего 50%). Когда же КПД близок к единице, полезная мощность мала по сравнению с максимальной мощностью, которую мог бы развить данный источник.


Учитель: При неограниченном увеличении сопротивления нагрузки (R) полезная мощность стремится к нулю, а КПД – к единице.

Любую полезную мощность, меньшую максимальной, мы можем получить, как свидетельствует кривая P(R), при двух значениях внешнего сопротивления, одно из которых больше, а другое меньше внутреннего сопротивления источника тока. Практически для получения заданной полезной мощности следует выбирать нагрузку с большим сопротивлением, так как при этом КПД выше.

В силовых энергетических установках важнейшим требованием является получение высокого КПД.


  1. Каким должно быть для получения высокого КПД внутреннее сопротивление источника по сравнению с сопротивлением внешней цепи? (вывод № 3)


Ответ: Для получения высокого КПД внутреннее сопротивление источника r должно быть мало по сравнению с сопротивлением нагрузки R.
Учитель: Например, в задаче № 1619, которую вы решите дома, речь идёт о том, что генератор с внутренним сопротивлением 0,1 Ом питает током лампы, общее сопротивление которых 6 Ом.

Некоторые из вас успели сделать дополнительное задание: рассмотрели, как зависит полезная мощность от силы тока, отбираемой от источника.



  1. Запишите на доске формулу зависимости полезной мощности от силы тока.


Ответ: P=I*( - I*r)


  1. Какой является исследуемая функция и что представляет собой её график?


Ответ: Исследуемая функция является квадратичной, график зависимости P(I) – парабола, ветви которой направлены вниз.


  1. При каком значении силы тока мощность достигает максимального значения?


Ответ: Полезная мощность максимальна при I=/2r . В данной задаче I=1,5 A.




  1. При каких условиях мощность, выделяющаяся во внешней цепи, обращается в нуль?



Ответ: Р=0 в двух случаях:

  1. I1=0 (цепь разомкнута, то есть R);

  2. I2=Iк.з.=/r (короткое замыкание, R0).


Учитель: В случае короткого замыкания полезная мощность равна нулю и вся мощность выделяется внутри источника, что может привести к выходу из строя источника и (или) перегреванию замыкающего проводника. Послушаем сообщение о вреде короткого замыкания.
Сообщение ученика: Короткое замыкание – режим работы источника тока, при котором сопротивление внешней нагрузки мало. В этом случае ток, текущий по цепи, называется током короткого замыкания: Iк.з. =/r. Это максимальное значение силы тока, которое может обеспечить данный источник.

Сила тока короткого замыкания не только зависит от ЭДС источника, но и от его внутреннего сопротивления. У источников со сравнительно большим внутренним сопротивлением, как у гальванических элементов, сила тока короткого замыкания небольшая, а потому этот ток для них не очень опасен.

Иное дело в свинцовых аккумуляторах: внутреннее сопротивление у них мало (0,1 – 0,01 Ом). Поэтому сила тока короткого замыкания очень велика, такой ток может разрушить пластины аккумуляторов.

Особенно опасны короткие замыкания в осветительных сетях, питаемых от подстанций. При значительной ЭДС (свыше 100В) внутреннее сопротивление этих источников ничтожно мало. Поэтому сила тока может достигать тысяч ампер. В этом случае короткое замыкание может вызвать перегрев проводов, пожар здания. Чтобы избежать этого, в такие цепи включают предохранители, сразу отключающие линию, если сила тока превысит допустимую норму.


Учитель: Мы получили и изучили энергетические соотношения в цепях постоянного тока. Что представляют собой и где на практике применяются источники постоянного тока?

Ученик: Гальванические элементы представляют собой первичные химические источники электрического тока, основанные на необратимых электрохимических процессах. Батареи гальванических элементов используются в карманных фонарях, транзисторных радиоприёмниках.

Электрический аккумулятор – химический источник тока, способный накапливать электрическую энергию (превращая её в химическую) и по мере надобности отдавать её во внешнюю цепь. Аккумуляторы можно использовать многократно, периодически заряжая их.

Аккумуляторы бывают стационарные (для собственных нужд телефонных и телеграфных радиостанций) и переносные (для питания передвижной аппаратуры радио и проводной связи, автомобильные, самолётные и другие). Аккумуляторы служат для освещения железнодорожных вагонов, автомобилей, для запуска автомобильного двигателя. Батареи аккумуляторов питают электроэнергией подводную лодку под водой. Радиопередатчики и научная аппаратура на искусственных спутниках Земли также получают электропитание от аккумуляторов, установленных на спутниках.

В стационарных установках широко применяются свинцово-кислотные аккумуляторы. В качестве переносных часто применяются обладающие большей механической прочностью щелочные аккумуляторы – железо-никелевые, кадмиево-никелевые.

Учитель: Сегодня на урок мы исследовали зависимости мощности во внешней цепи и КПД источника тока от внешнего сопротивления, используя компьютерные технологии. Какие этапы решения физических задач на компьютере вы освоили?
Ученик: Постановка задачи, построение математической модели, разработка алгоритма, далее мы использовали готовую программу Excel, но часто бывает необходимым для решения задачи создать свою уникальную программу, реализация программы на компьютере, анализ полученных результатов решения задачи.
б) Выставление оценок за урок.




Мощность во внешней цепи и КПД источника тока













































































e

=

9

В




P=e^2*R/(R+r)^2

 










r

=

3

Ом




КПД=R/(R+r)














































R, Oм

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10


P, Вт

0,00

5,06

6,48

6,75

6,61

6,33

6,00

5,67

5,36

5,06

4,79





































R, Oм

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

КПД

0,00

0,25

0,40

0,50

0,57


0,63

0,67

0,70

0,73

0,75

0,77






































































































































































































































































































































































































































































































































































































































e

=

9

В







P=I*(e-I*r)











r

=

3

Ом


























































I, A

0

0,3

0,6

0,9

1,2

1,5

1,8

2,1

2,4

2,7

3

P, Вт

0

2,43

4,32

5,67

6,48

6,75


6,48

5,67

4,32

2,43

0


































































































































































































































































































Список использованной литературы




  1. Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977, стр. 125 – 142




  1. Гомонова А.И. Физика. Примеры решения задач, теория. Справочное пособие. – М.: ООО «Издательство АСТ – ЛТД», 1998, стр. 285, 305-309.




  1. Бутиков Е.И., Быков А.А., Кондратьев А.С. Физика для поступающих в вузы. Учебное пособие. – М.: Наука, 1982.




  1. Гельфгат И.М., Генденштейн Л.Э., Кирик Л.А. 1001 задача с ответами, указаниями, решениями. – Москва – Харьков, «Илекса», «Гимназия», 1997, стр. 92, 277 - 278.




  1. Гольдфарб Н.И.Сборник вопросов и задач по физике: Учебное пособие. – М.: Высшая школа, 1983, стр. 109, 290 - 291.




  1. Бендриков Г.Я., Буховцев Б.Б., Керженцев В.В., Мякишев Г.Я. Физика: Сборник задач. – М.: Рольф, 2000, стр.146 – 147, 153, 346.



  1. Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б. Физика.Учебное пособие для 10 класса общеобразовательных учреждений. – М.: Просвещение, 1999.





  1. Кикоин А.К., Кикоин И. К., Шамаш С.Я., Эвенчик Э.Е. Физика. Пробный учебник для 9 класса средней школы. – М.: Просвещение, 1984, стр. 142 – 154.




  1. Волковыский Р.Ю. Приёмы, повышающие эффективность обучению решения задач. Физика в школе № 6, 1990, стр. 30 – 32.




  1. Бетев В.А. Элементы методики применения ПМК при решении физических задач. Физика в школе № 6, 1990, стр. 52 – 54.




  1. Здробилко Н.А., Ильин В.Е., Петров Е.И. Практическая работа на ПК (для начинающих). СПб, Интеллект – тур, Центр компьютерного обучения, 2000.




  1. Ефимова О., Моисеева М., Шафрин Ю. Практикум по компьютерной технологии. Примеры и упражнения. Пособие по курсу «Информатика и вычислительная техника».