Как определить работу и мощность электрического тока

Работа и мощность отвечают на разные вопросы. Работа показывает, сколько энергии передано потребителю за выбранное время, а мощность — с какой скоростью эта передача происходила. При одной и той же мощности лампа за две минуты получит вдвое больше энергии, чем за минуту, если условия её работы не изменились. Но изменение времени само по себе не меняет мощность, вычисляемую из напряжения и тока.

Какие приборы нужны

В школьной установке используют источник низкого напряжения, потребитель, например лампу или резистор, ключ, амперметр, вольтметр и секундомер. Амперметр включают последовательно с потребителем, вольтметр — параллельно его выводам. Схему перед включением проверяет учитель; нельзя подключать школьные приборы к сетевой розетке или превышать указанную мощность потребителя.

Цель работы можно сформулировать так: «Определить мощность и работу электрического тока на исследуемом участке цепи по измеренным напряжению, силе тока и времени». Если учитель задаёт сравнение двух ламп, для каждой нужны свои показания и одинаково определённый интервал времени. Надпись на корпусе лампы может сообщать номинальные значения, но в отчёт об опыте сначала заносят фактические показания приборов.

Проверьте диапазоны измерений. Если амперметр показывает миллиамперы, заранее подготовьте перевод в амперы. Если время на секундомере указано в минутах и секундах, переведите его целиком в секунды. Ошибки единиц часто увеличивают ответ в 60 или 1000 раз, хотя сами формулы записаны верно.

Как снять три исходных значения

Соберите цепь при разомкнутом ключе. После проверки учителем замкните ключ и одновременно запустите секундомер. Считайте ток и напряжение через короткое время после включения, затем при необходимости ещё раз в середине и перед выключением. Разомкните ключ и остановите отсчёт в момент окончания рабочего интервала. Если показания всё время были близки, для школьного расчёта можно использовать согласованное значение по правилам задания.

Если лампа или резистор нагревается, сила тока может меняться даже при приблизительно одинаковом напряжении источника. Тогда формулы A = UIt с одной парой показаний дадут лишь оценку. В таблице укажите, какие значения взяты: начальные, установившиеся или средние по нескольким отсчётам. Не подменяйте наблюдение надписью «ток был постоянным», если прибор явно показывал изменение.

Время должно относиться к тому же периоду, на котором вы оценивали ток и напряжение. Если цепь была включена 90 секунд, а показания стабилизировались только после первых 30 секунд, нельзя без оговорки умножать установившиеся значения на все 90 секунд. Для более точной работы время делят на участки и складывают оценённые затраты энергии по каждому.

Рассчитайте мощность

Мощность на выбранном участке равна P = UI. Например, при 3,0 В и 0,20 А получается P = 0,60 Вт. Единица следует из произведения В · А = Вт. Это мощность исследуемого участка, если вольтметр подключён именно к его концам, а амперметр измеряет ток через него. Мощность всего источника может отличаться из-за других элементов цепи и внутренних потерь.

При резистивном участке с известным сопротивлением существуют эквивалентные выражения P = I²R и P = U²/R. Но если в работе уже измерены и ток, и напряжение, используйте непосредственно UI; дополнительные формулы могут служить проверкой при соответствующих условиях. Нельзя применять одно значение R к нагревающейся лампе на всех режимах без проверки.

Если сравниваете две лампы по мощности, одинаковая яркость на глаз не является точным измерением. Измерьте ток и напряжение для каждой и вычислите произведение. Световая яркость и электрическая мощность связаны, но не тождественны: часть энергии превращается в тепло, а эффективность источников света различается.

Рассчитайте работу тока

При постоянных или почти постоянных U и I работа за время t равна A = UIt = Pt. В школьной физике её выражают в джоулях: 1 Дж = 1 Вт·с. Если мощность 0,60 Вт, а цепь работала 60 с, то A = 0,60 · 60 = 36 Дж. Это количество электрической энергии, переданной выбранному участку по принятой модели; оно не говорит, сколько из неё стало светом, а сколько теплом.

Для длительной работы бытовых приборов используют киловатт-часы: 1 кВт·ч = 3,6 · 10⁶ Дж. В школьном кратком опыте удобнее джоули. Не путайте киловатт-час с киловаттом: первая единица относится к энергии, вторая — к мощности.

Если мощность меняется, энергия за весь опыт равна сумме по коротким интервалам, где значение можно считать примерно постоянным: A ≈ P₁t₁ + P₂t₂ + .... Это объясняет, почему одно показание в начале не всегда достаточно. В простом задании специально подбирают условия с почти неизменными приборами, чтобы можно было использовать одну формулу без такой разбивки.

Условная таблица измерений

Ниже — придуманный учебный пример. Числа показывают оформление и арифметику; в свой отчёт внесите реальные показания.

Проверка: P · t = 0,60 Вт · 60 с = 36 Дж, результат совпал с прямым расчётом UIt. В реальном опыте проверка может дать небольшое расхождение, если для мощности и работы использовались разные округлённые показания. Чтобы этого не было, сохраняйте исходные значения до последнего шага расчёта.

Ошибки при оформлении

Если ток равен 200 мА, в формулу нужно подставить 0,200 А. Если время равно 1 мин 30 с, это 90 с, а не 1,30 с и не 130 с. Если вольтметр подключён к источнику, а потребитель находится в цепи с другими элементами, показание прибора может не быть напряжением на потребителе. Подпишите точки подключения на схеме и в таблице.

Не называйте работу «силой тока за минуту» и не пишите результат в ваттах. Ватты относятся к мощности, джоули — к работе. Если в условии спрашивают, сколько энергии потребил участок, ответ в ваттах без времени неполон. Если спрашивают мощность, умножать UI на время не нужно.

При заметном изменении показаний укажите диапазон и причину, если она понятна: прогрев лампы, изменение источника, плохой контакт. Не выбирайте единственную «удобную» пару чисел, чтобы получить круглый ответ. Точность результата ограничена точностью приборов и стабильностью режима.

Как написать вывод

Для условного примера вывод мог бы звучать так: «При напряжении на лампе 3,0 В и силе тока 0,20 А её электрическая мощность составила 0,60 Вт. За 60 с на участок цепи была передана энергия 36 Дж. Расчёт Pt дал тот же результат, что и UIt, поскольку в примере ток и напряжение считались постоянными». В своём выводе укажите, были ли показания действительно устойчивыми.

Перед сдачей проверьте схему подключения приборов, единицы времени и тока, различие между мощностью и работой, совпадение расчётов и соответствие вывода измеренным данным. Другие работы по электричеству собраны в навигаторе лабораторных работ по физике для 8 класса. Тема работы и мощности тока включена в федеральную рабочую программу по физике.