Разработка урока по физике "Электрическая лампа накаливания и электронагревательные приборы"

Цели и задачи урока

• Закрепить знания законов постоянного тока, понятий силы тока, напряжение, сопротивление тока.
• Изучить строение электрической лампы накаливания, физическую основу работы лампы накаливания. Применения.
• Познакомить с историей изобретения электрической лампы накаливания.
• Познакомить учащихся с некоторыми примерами применения теплового действия электрического тока.

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, соединительные провода, магнит дугообразный, штатив с муфтой и лапкой, моток медных проводов, электрическая лампа накаливания, ключ, металлические опилки; компьютер; диск с учебным фильмом об использовании теплого действия тока; презентация по данной теме. (Приложение)

План урока

Сегодня снова все о токах –
Заряженных частиц потоках.
И про источники и схемы.
И нагревания проблемы.
Ученых, чьи умы и руки
Оставили свой слет в науке,
Приборы и цепей законы,
Кулоны, Вольты, Ватты, Омы.
Решим, расскажем, соберем,
Мы с пользой время проведем!

Учитель: Мы каждый день пользуемся электронагревательными приборами, не представляем жизнь без электрического освещения, но какого их строение? Кто изобрел эти столь не обходимые человеку технические устройства? Какие физические явления и законы лежат в основе работы данных устройств?

И мы сегодня с вами ответим на все поставленные вопросы. Но чтобы успешно справиться с поставленными задачами, необходимо повторить пройденный материал, который нам поможет в решении данных проблем.

Скажите, пожалуйста, что такое электрический ток?

Ученик: Электрический ток – это упорядоченное, направленное движение заряженных частиц.

Учитель: Верно. Какие заряженные частицы могут образовать электрический ток?

Ученик: Электрический ток могут образовать электроны, положительные и отрицательные ионы.

Учитель: Какие основные физические величины характеризуют электрический ток?

Ученик: Электрический ток характеризует сила тока, напряжение и сопротивление.

Учитель: Ребята, а сейчас посмотрим, как вы знаете связь, установленный Омом между этими величинами, единицы измерения этих величин и закон Джоуля и Ленца. А также увидим, умеете ли вы собирать и чертить схемы. Внимание на экран.

(Выполнени еработы: “Найди ошибку”.)

Найди ошибку:

Учитель: Посмотрите, пожалуйста, на демонстративный стол. На столе физические приборы. Какие действия электрического тока можно демонстрировать с помощью этих приборов?

Ученик: Можно показать магнитное действие электрического тока. Если через металлический стержень пропустить электрический ток, то он начнет притягивать металлические предметы, то есть приобретет магнитные свойства.

Учитель: Покажите, пожалуйста.

(Ученик выходит к столу и демонстрирует магнитные действия тока.)

– Какие еще действия электрического тока можно продемонстрировать?

Ученик: Ориентирующее действие магнитного поля на рамку с током. Для этого необходимо поместить между полюсами магнита рамку по которой проходит электрический ток.

(Ученик выходит к доске и показывает данный эксперимент.)

Учитель: Что еще мы можем посмотреть?

Ученик: Можно показать тепловое действие электрического тока.

(Демонстрирует это явление.)

Учитель: Где используется тепловое действие электрического тока?

Ученик: Тепловое действие электрического тока используется в электрических лампах накаливания и в электронагревательных приборах.

Учитель: Верно. И именно об этом будем вести сегодня речь.

(Тема урока написана на красочно оформленном плакате.)

(На столе – электрическая лампа накаливания. Учитель берёт её в руки.)

Ну и лампа, на смех людям!
Пузырек под абажуром.
В середине пузырька
Три четыре волоска.
Непонятная посуда.
Интересно посмотреть
Как вы будете гореть?
Как зажжет тебя хозяин,
Пузырек у вас запаян!

(Звучит запись.)

“Я электрическая механическая лампа.
Мне не нужно керосина.
Мне со станции машина
Шлет по проволоке ток.
Не простой я пузырек.
Если вы соедините
С выключателем две нити
Зажигается мой свет.
Вам понятно или нет?”

Учитель: Так, если мы соединим с выключателем две нити, то давайте посмотрим, что же произойдет. Точно лампочка светится. Итак, это и есть электрическая лампа накаливания. У вас на столе у каждого имеются электрические лампы накаливания. Давайте рассмотрим, из каких элементов состоит она?

Ученик: Лампа накаливания состоит из стеклянной колбы, внутри колбы вольфрамовая нить, которая с помощью двух проводников соединяется с винтовой нарезкой и с основанием лампы, изолированной от цоколя.

Учитель: Верно. Как вы думаете, почему стеклянная колба запаяна?

Ученик: Она запаяна для того, чтобы во внутрь лампы не поступал воздух.

Учитель: Совершенно верно. В состав воздуха входит кислород, который способствует горению. И это привело бы к быстрому перегоранию вольфрамовой нити. Поэтому из стеклянной колбы выкачен воздух. Кроме того, так как в вакууме идет быстрое испарение вольфрама, чтобы препятствовать этому наполняют лампу азотом или инертными газами. Итак, давайте еще раз повторим устройство электрической лампы накаливания. (Повторяем.) А какое физическое явление положено в основу работы электрической лампы накаливания?

Ученик: В основу работы электрической лампы накаливания положено явление нагревание проводника при прохождении электрического тока, то есть тепловое действие тока.

Учитель: Правильно. Хотя лишь 10–15% тепловой энергии превращается в световую энергию, тем не менее, электрические лампы накаливания очень широко используются. При прохождении электрического тока через вольфрамовую нить, температура вольфрамовой нити достигает 3000°С. При такой температур вольфрамовая нить накаливается до красна, а затем и до бела и светится ярким светом.

Для включения лампы в сеть ее ввинчивают в патрон. У вас на столе есть патрон. Возьмите, пожалуйста, в руки. Внутренняя часть патрона содержит пружинистый контакт, касающийся основания цоколя лампы, и винтовую нарезку, удерживающую лампу. Пружинистый контакт и винтовая нарезка имеют зажимы, к которым прикрепляют провода сети.

Нагревание проводника при прохождении электрического тока в электронагревательных приборах рассмотрим на примере электрического утюга. В быту широко используют электрические плитки, чайники, кипятильники и т. д.

В промышленности тепловое действие тока используют для выплавки специальных сортов стали и многих других металлов, для электросварки.

В сельском хозяйстве с помощью электрического тока обогревают теплицы, кормозапарники, инкубаторы, сушат зерно, приготавливают силос.

Основная часть всякого нагревательного электрического прибора- нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдержать, не разрушаясь, нагревание до высокой температуры (до 1000–1200 °С). Чаще всего для изготовления нагревательного элемента применяют сплав никеля, железа, хрома и марганца, известный под названием “нихром”. Удельное сопротивление нихрома = 1,1Ом*мм /м. Большое удельное сопротивление нихрома дает возможность изготовить из него удобные- малые по размерам- нагревательные элементы.

В нагревательном элементе проводник в виде проволоки или ленты наматывается на пластинку из жароустойчивого материала: слюды, керамики. Нагревательным элементом в утюге служит нихромовая лента, от которой нагревается нижняя часть утюга.

(Демонстрируем нагревательный элемент утюга.)

Учитель: А теперь посмотрим и познакомимся с историей изобретения и применением электронагревательных приборов (презентация и сообщения на указанные темы). А чтобы проверить, как вы усвоили материал, давайте разгадаем кроссворд.

Электрическое освещение

В каждую клетку, включая нумерованную, надо поставить букву так, чтобы слова по горизонтали означали:

1. и 2. Английский и русский ученые, установившие на опыте, независимо друг от друга, от чего зависит количество теплоты, выделяемой при нагревании проводника электрическим током.

3. Часть электрической лампы накаливания, которая ввинчивается в патрон.
4. Русский ученый, открывший явление механической дуги.
5. Металл, из которого изготавливают спираль для лампы накаливания.
6. Изобретатель первой лампы накаливания, пригодной для практического использования.
7. Изобретатель дуговой лампы – электрической свечи.
8. Американский изобретатель, усовершенствовавший лампу накаливания и создавший для неё патрон.
9. Материал, из которого изготовляют баллон лампы накаливания.
10. Газ, применяемый для заполнения ламп накаливания.

Учитель: Решите задачу:

Определите КПД электрической плитки при нагревании воды.(Даны электрическая плитка, демонстрационные вольтметр и амперметр, соединительные провода, ключ, алюминиевый стакан с водой, динамометр, мензурка, термометр.)

Решение:

КПД = А(п)\А(з). А(п) = сm (t(2) – t(1)); А(з) = Uit.

С = 4200 Дх\кг.К; массу воды определяем по формуле m = р\v, где объем воды определяем при помощи мензурки, изменение температуры определим при помощи термометра, напряжение и силу тока определим при помощи амперметра и вольтметра, которые вкачены последовательно с ключем и электрической плиткой.

Из истории дуговой лампы.

Осенью 1802 г. профессор физики Петербургской медико – хирургической академии Василий Владимирович Петров производил опыты с помощью построенной им самим огромной батареи гальванических элементов.

Однажды, исследуя сопротивления угля, В.В. Петров взял два угольных стерженька, соединил один из них с положительным полюсом электрической батареи, другой – с отрицательным и приблизил угли один к другому. Как только угли сблизились, их концы разогрелись так сильно, что начали светиться. Учёный стал немного отодвигать угли друг от друга. Внезапно в воздухе между ними возникло ослепительно яркое изогнутое белое пламя – электрическая дуга, от которой, как писал В.В. Петров, “тёмный покой довольно ясно освещен, быть может”.

Учёный заметил, что жар электрической дуги очень силен. В ней плавятся даже железные гвозди и медные пластинки. Это и не удивительно – теперь мы знаем, что температура в пламени дуги Петрова достигает до 6000 С.

В.В. Петров поставил много опытов с электрической дугой. Он получал ее в воздухе, в разрежённой среде, в различных жидкостях, наблюдал ее, заменяя угли металлами. Об открытом им явлении электрической дуги и ее исследованиях учёный написал две книги. В своих книгах В.В. Петров предсказал, что электрическая дуга получит применение в технике для освещения и нагревания.

Открытие В.В. Петрова было очень скоро незаслуженно забыто. Этому в немалой степени способствовали ученые иностранцы, занимавшие тогда начальственные места в русской Академии наук. Когда через девять лет, в 1811 г., английский ученый Г. Дэви снова получил в своей лаборатории электрическую дугу, он был признан первооткрывателем этого явления.

Первая еще несовершенная дуговая лампа конструкции Б.С. Якоби появилась в 1849 г. в Петербурге, на башне Админартельства. Угли этой лампы приходилось сближать вручную. Лампа Якоби излучала такой сильный свет, что ее называли электрическим солнцем.

Русские изобретатели А. Шпаковский (в 1856 г.) и В. Чиколев (в 1865 г.) придумали регуляторы, которое автоматически поддерживали необходимое расстояние между углями. Дуговые лампы с регуляторами были сложны и стоили дорого.

Несовершенство регуляторов дуговых ламп очень ясно видел начальник телеграфа одной из русских железных дорог Павел Николаевич Яблочков. Ему было поручено следить за работой дуговой лампы прожектора, установленного на паровозе поезда важного назначения. Этот светильник потребовал много хлопот и так заинтересовал Яблочкова, что стал делом его жизни. Яблочков задумал сделать дуговую лампу простой и доступной для всех.

В 1876 году на выставке точных физических приборов в Лондоне П. Н.Яблочков демонстрировал перед посетителями необыкновенную “электрическую свечу” . Эта свеча горела ослепительно ярким светом.

В том же году “свечи Яблочкова” появились на улицах Парижа. Помещенные в белые матовые шары они давали яркий приятный свет. В короткое время чудесные свечи завоевали всеобщее признание. Ими освещались лучшие гостиницы, улицы и парки крупнейших городов Европы.

Электрическая лампа накаливания изобретена русским изобретателем Александром Николаевичем Лодыгиным. Еще со школьной скамьи у Лодыгина зародилась мечта о летательной машине, увлекая его на долгие годы. Ради этой идеи он нарушил обычай семьи – снял офицерский мундир и поступил на Тульский завод молотобойцем. Здесь Лодыгин всей душой привязался к технике. А в 1869 году представил в Главное инженерное управление проект летательной машины с электрическим двигателем. Царские чиновники не приняли его. А.Н. Лодыгину разрешили передать проект в помощь воюющей Франции. Изобретатель уехал во Францию, но и здесь осуществить мечту не удалось. Вернувшись в Россию, Лодыгин стал работать в обществе газового освещения в Петербурге.

Словно сказочная жар – птица, “электролет” ускользнул от молодого изобретателя, и лишь маленькая деталь его проекта осталась в руках, необыкновенная как перо жар- птицы. То была мысль о первой в мире электрической лампе накаливания.

Изобретатель принялся за исследовательскую работу. Он задумался6 что дает самый сильный свет в электрической дуге? Оказалось раскаленные концы угольных стержней, между которыми образуется дуга, дают более яркий свет, чем сама дуга. Так зачем же она нужна? И решил раскалить электрическим током угольные стержни- они и будут светиться.

В стеклянный баллон А. н. Лодыгин поместил тонкий угольный стержень между двумя медными держателями. Такая лампа светила всего полчаса, потом его угольный стерженек сгорал. Исследователь пробовал ставить в лампу два уголька, добиваясь того, чтобы сперва накалялся только один. Этот уголек быстро сгорал, но зато поглощал кислород в лампе. Когда первый уголек сгорал, раскалялся и начинал светиться второй. Он светил уже два часа.

Наконец А. Н. Лодыгин изготовил лампочку со сферической колбой, из которой был выкачен воздух, причем, снаружи, воздух в нее не просачивался. Угольный стержень такой лампы светился уже несколько десятков часов. Заявку на патент на свою лампу А. Н. Лодыгин подал 14 октября 1872 года.

…Осенним вечером 1873 года много народу шло одну глухую петербургскую улицу. Газетчики сообщили, что в этот день там будут пробовать электрическое освещение. Очевидец этого эксперимента рассказывал: “ В двух уличных фонарях керосиновые лампы были заменены лампами накаливания, изливавшими яркий белый свет. Масса народа любовалось этим освещением, этим огнем с неба. Многие принесли с собой газеты и сравнивали расстояния, на которых можно было читать при керосиновом освещении и при электричестве”. Скоро засияла электрическим светом витрина большого магазина на одной из главных улиц столицы. Лампочки Лодыгина даже опустили в реку, и они отлично освещали водолазам место работы.

Осенью 1874 года Академия наук присудила А. Н. Лодыгину Ломоносовскую премию. Вскоре Лодыгин получил патент на свой способ освещения в 10 странах мира.

Все-таки лампочки Лодыгина служили не долго. Нужно было проделать еще тысячи опытов, чтобы создать прочную нить накаливания. А денег у ученого не было.

Американский ученый Эдисон получил несколько лампочек Лодыгина. Их привез в Америку один русский офицер. Эдисон понял, что изобретенные Лодыгиным лампочки- лучший способ освещения, только надо их усовершенствовать. У Эдисона было то, чего не было у Лодыгина,- много денег и много помощников. Как у всякого изобретателя у него был большой запас терпения . 6000 опытов проделал Эдисон со своими помощниками, чтобы найти самый прочный материал для угольных нитей японский бамбук – и лучший способ их приготовления.

В конце 1879 года Эдисон создал лампу с винтовым цоколем и патроном.

Лодыгин потратил 27 лет жизни на поиски лучшего материала для нити лампы накаливания! В 1890 году он получил в Америке патент на лампу с нитью из тугоплавких металлов – вольфрама, молибдена и тантала.

Во всем мире с тех пор нити для электрических ламп делают из вольфрама, температура плавления которого –3380 градусов по шкале Цельсия.

Сейчас наша электроламповая промышленность выпускает в год миллиарды самых разнообразных ламп накаливания. Помимо всем известных ламп, есть и необычные. Например, лампы – гиганты, применяемые для морских маяков. Некоторые из таких ламп имеют высоту более метра, массу свыше 7 кг., а мощность 500000 Вт. Существуют и лампы карлики массой 0,02 г. Такие лампы используют в медицине.

Современная лампа накаливания – очень удобный, безопасный и дешевый источник света. Но и в ней лишь небольшая доля подводимой энергии (всего 7%) превращается в энергию видимого света, причем ее свет сильно отличается от дневного. Будущее, конечно, за лампами “дневного света”, но сейчас лампы накаливания остаются наиболее популярными и широко распространенными источниками света. (Приложение)