Условие
Электрический обогреватель работает при напряжении 220 вольт, сила тока в нём 2 ампера. Найди мощность обогревателя и работу тока за 2 часа работы. Объясни, почему спираль обогревателя раскаляется, а подводящий провод остаётся холодным, хотя ток через них идёт один и тот же.
Что известно и что ищем
- Известны напряжение, сила тока и время работы.
- Ищем мощность и работу тока, а также объяснение разного нагрева спирали и провода.
- Отдельно нужно объяснить, почему нельзя включать в одну розетку много мощных приборов.
Ход решения
- Шаг 1. Находим мощность. Мощность тока равна произведению напряжения на силу тока: 220 вольт умножаем на 2 ампера и получаем 440 ватт. Мощность показывает, сколько энергии ток переносит за каждую секунду.
- Шаг 2. Считаем работу за 2 часа. Сначала переводим время в секунды: 2 часа — это 7200 секунд. Умножаем мощность на время: 440 ватт на 7200 секунд даёт 3 168 000 джоулей, то есть примерно 3,2 мегаджоуля.
- Шаг 3. Переводим в бытовые единицы. Удобнее считать не в джоулях, а в киловатт-часах: мощность 0,44 киловатта, умноженная на 2 часа, даёт примерно 0,88 киловатт-часа. Именно эту величину и показывает счётчик.
- Шаг 4. Объясняем разный нагрев. По закону Джоуля–Ленца количество теплоты в проводнике растёт с силой тока, сопротивлением и временем. Сила тока у спирали и у провода одинаковая, но у спирали сопротивление в сотни раз больше — поэтому там и выделяется почти всё тепло.
- Шаг 5. Делаем практический вывод. Если включить в одну розетку несколько мощных приборов, сила тока в общей проводке сложится и вырастет. Тогда по проводам пойдёт слишком большой ток, они начнут греться, а при коротком замыкании ток возрастёт настолько, что провод может воспламениться. Именно поэтому в цепь ставят предохранители и автоматические выключатели: они разрывают цепь раньше, чем провод перегреется.
Проверь себя
- Ответ: мощность обогревателя 440 ватт, работа за 2 часа примерно 3,2 мегаджоуля, то есть около 0,88 киловатт-часа. Спираль греется сильнее провода, потому что её сопротивление намного больше.
- Проверка вывода: если разделить работу на время, снова получится 440 ватт. Значит, расчёт согласован.
- Ловушка: считать, что тепло выделяется там, где больше ток. При одном и том же токе греется тот участок, у которого больше сопротивление, — то есть спираль, а не провод.
Как объяснить ребёнку
«Ток несёт энергию через всю цепь — как река, текущая из батарейки до батарейки. Река одна, но узкое место греется сильнее: в спирали «камни» крупнее, там и чайник воды шумит. Поэтому раскаляется спираль. А если включить много приборов сразу, река становится слишком бурной и провода могут не выдержать — для этого и придумали предохранители».
Тема для отчёта родителю
«Работа и мощность электрического тока, закон Джоуля–Ленца».
Формулировка задания — наш аналог по теме, а не текст из учебника.