Использование цифровой лаборатории Relab при изучении темы «Закон Джоуля-Ленца» в курсе физики 8-го класса

В начале XXI века современную жизнь сложно представить без использования информационных технологий. Интенсивный переход к информатизации общества обуславливает всё более глубокое внедрение информационных технологий в различные области человеческой деятельности. Это вполне справедливо и для учебного процесса, где без компьютера уже не обойтись. Цифровая лаборатория Relab является одной из современных систем, способных обеспечить включение обучающихся в физические исследования.

Закон Джоуля-Ленца представляет частный случай закона сохранения и превращения энергии в цепи электрического тока и выражается формулой Q = I²·R·t, где Q - выделившееся количество теплоты в джоулях, I - сила тока в амперах, R - сопротивление в омах, t - время в секундах. То есть количество теплоты, выделяющееся в проводнике при прохождении через него электрического тока прямо пропорционально квадрату силы тока, сопротивлению проводника и времени протекания тока по проводнику [3, 8].

В современной литературе подробно освещены следующие вопросы:

- опыт Джеймса Джоуля по определению количества теплоты при вращении лопаток в воде внутри калориметра [4, 7];

- опыт Эмиля Ленца по измерению количества теплоты, выделяемого платиновой проволокой, находящейся в разбавленном спирте, при протекании в ней электрического тока [1, 2, 8];

- различные подходы экспериментального подтверждения закона Джоуля-Ленца. Так, один из способов опытной поверки закона Джоуля-Ленца в интегральной форме Q = I²·R·t выполняется на установке, состоящей из калориметра, заполненного водой, нагревателя, термометра, мешалки с мотором, трансформатора, реостата, амперметра и вольтметра. Данной способ проведения эксперимента является модернизаций опыта Джоуля [5]. Этот способ позволяет сравнить количество теплоты Q = с·m·∆t, необходимое для нагревания воды, мешалки, нагревателя и внутренней части калориметра с количеством теплоты Q = I·U·t , выделяющееся в нагревателе. К недостаткам данного способа можно отнести трудоёмкость опытов.

Другой подход опытной проверки закона Джоуля-Ленца - калориметрический, с использованием калориметрической лампы, разработанной на кафедре физики МГТУ им. Баумана [6], состоящей из стеклянного баллона, калориметрическим телом, размером 1 мм, нагревательной спирали и терморезистора. К недостаткам данного способа можно также отнести трудоёмкость опытов.

При использовании школьных лабораторных приборов: амперметра, вольтметра и термометра существует большая погрешность измерений силы тока, напряжения, и особенно, температуры. Поэтому с помощью школьного оборудования проверить закон Джоуля-Ленца с большой точностью невозможно. В школьном курсе физики выполняется лабораторная работа на расчёт количества теплоты, выделяемого проводником с током по формуле Q = I²·R·t, но опытная проверка закона Джоуля-Ленца не проводится.

Приведём пример использования цифровой лаборатории Relab при определении количества теплоты, выделяемого проводником с током с помощью датчиков тока, напряжения, температуры. Эксперимент позволяет наглядно, быстро и с большой точностью экспериментально проверить закон Джоуля-Ленца, подтверждающий тот факт, что изменение температуры воды из-за передачи ей теплоты от проволочного нагревателя прямо пропорционально квадрату силы тока, нагревающего проводник.

Тема исследования: «Определение количества теплоты, выделяемого проволочным нагревателем при протекании в нём электрического тока с использованием цифровой лаборатории Relab».

Объект исследования: проволочный нагреватель.

Предмет исследования: количество теплоты, выделяемое проволочным нагревателем при протекании в нём постоянного электрического тока.

Цель исследования: проверка закона Джоуля-Ленца; модернизация опытов Джоуля и Ленца с помощью компьютерных технологий для повышения точности и наглядности эксперимента.

Задачи исследования:

• подбор литературы по выбранной проблеме;
• изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
• определение количества теплоты, выделяемого проводником с током с помощью датчиков тока, напряжения, температуры;
• обработка и анализ полученных материалов.

Оборудование, используемое при проведении эксперимента, представлено в таблице 1.

Таблица 1. Оборудование, используемое в ходе исследования

№ п/п	Название приборов и материалов	Количество
1	Мензурка (V = 100 мл)	1
2	Калориметр	1
3	Проволочный нагреватель	1
4	Мультидатчик ФИЗ-1 (с датчиком тока, датчиком напряжения)	1
5	Мультидатчик ФИЗ-2 (с датчиком температуры)	1
6	Температурный зонд	1
7	USB кабель	2
8	Ноутбук Lenovo	1
9	Штатив с муфтой и лапкой	1
10	Выпрямитель ИПД-1	1
11	Ключ	1
12	Электрическая лампа (U = 6,3 В)	1
13	Удлинитель	1
14	Соединительные провода	6
15	Фотоаппарат цифровой	1

Порядок проведения эксперимента:

1. В мензурку наливается пресная вода объёмом 70 см³ (рис. 1). Так как плотность пресной воды равна 1000 кг/м³, то в объёме 70 см³ масса пресной воды составляет 70 г.

Вода массой 70 г наливается во внутренний стакан калориметра (рис. 2).

Калориметр накрывается крышкой из теплоизолирующего материала. Проволочный нагреватель, укреплённый на крышке калориметра, погружается в воду. Через маленькое отверстие в крышке калориметра в воду опускается температурный зонд, входящий в состав мультидатчика ФИЗ-2 (рис. 3), укреплённый в лапке штатива. Кроме того, к проволочному нагревателю присоединяются датчики тока и напряжения, входящие с состав мультидатчика ФИЗ-1 (рис 4, рис. 5).

Собирается электрическая цепь, состоящая из источника постоянного тока (выпрямителя ИПД-1 рис. 6), ключа (рис. 7), лампы на 6,3 В (рис. 8), мультидатчиков ФИЗ-1 и ФИЗ-2, подключенных к разъёмам USB ноутбука Lenovo, проволочного нагревателя, соединённых проводами (рис. 9, рис. 10). Электрическая лампа используется для наглядности эксперимента.

Запускается программа измерений Relab Lite. Устанавливается связка датчиков тока, напряжения и температуры, замыкается ключ и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» (рис. 11).

Измеряется сила тока в проволочном нагревателе, напряжение на его концах и, с помощью закона Ома для участка цепи I =U/R, рассчитывается сопротивление проволочного нагревателя.

Сначала определяется количество теплоты, выделяемое проводником с током по закону Джоуля-ЛенцаQ = I²·R·t, через интервал времени 2,5 минуты в течение всего времени эксперимента 20 минут. Затем определяется количество теплоты, полученное водой за указанные промежутки времени, по формуле Q = с·m·∆t.

Полученные результаты подвергаются анализу.

Обобщаются результаты эксперимента:

Сила тока в проволочном нагревателе составляет 0,47 А, напряжение на его концах равно 1,28 В (рис. 12).

Электрическое сопротивление проволочного нагревателя составляет 2,7 Ом (табл. 2).

Таблица 2. Расчёт сопротивления проволочного нагревателя

Сила тока I, A	Напряжение U, В	Сопротивление R= U/I, Ом
0,47	1,28	2,7

Количество теплоты, выделяемое проводником с током за равные промежутки времени приблизительно равно количеству теплоты, полученному водой (рис. 13, табл. 3, табл. 4, рис. 14).

Таблица 3. Расчёт количества теплоты, выделяемого проволочным нагревателем через 2, 5 мин в течение 20 мин

Номер опыта	Сила тока в проволочном нагревателе I, А	Сопротивление в проволочном нагревателе R, Ом	Время протекания тока в проволочном нагревателе t, с	Количество теплоты, выделяемое проволочным нагревателем Q = I2·R·t, Дж
1	0,47	2,7	150	89,5
2	0,47	2,7	300	178,9
3	0,47	2,7	450	268,4
4	0,47	2,7	600	357,9
5	0,47	2,7	750	447,3
6	0,47	2,7	900	536,8
7	0,47	2,7	1050	626,3
8	0,47	2,7	1200	715,7

Таблица 4. Расчёт количества теплоты, получаемого водой через каждые 2 мин в течение 20 мин

Номер опыта	Удельная теплоёмкость воды в калориметре с, Дж/кг·°С	Масса воды в калориметре m, кг	Начальная температура воды в калориметре t1, °С	Конечная температура воды в калориметре t2, °С	Изменение температуры воды в калориметре ∆t= t2 - t1, 0С	Количество теплоты, получаемое водой в калориметре Q = с·m·∆t, Дж
1	4200	0,07	16,4	16,7	0,3	88,2
2	4200	0,07	16,4	17,0	0,6	176,4
3	4200	0,07	16,4	17,3	0,9	264,6
4	4200	0,07	16,4	17,6	1,2	352,8
5	4200	0,07	16,4	17,9	1,5	441,0
6	4200	0,07	16,4	18,2	1,8	529,2
7	4200	0,07	16,4	18,5	2,1	617,4
8	4200	0,07	16,4	18,8	2,4	705,0

Небольшие различия в величине количества теплоты, переданного нагревателем и полученного водой, связаны с неизбежными потерями тепловой энергии в окружающую среду. Следовательно, изменение температуры воды из-за передачи ей теплоты от проволочного нагревателя прямо пропорционально квадрату силы тока, нагревающего проводник.

Факт нагрева проводника при протекании по нему тока объясняется тем, что во время движения заряженных частиц под действием электрического поля они взаимодействуют с узлами кристаллической решётки (положительными ионами) проводника, в результате часть энергии передаётся этим частицам проводника, то есть средняя скорость хаотического движения частиц проводника увеличивается, и проводник нагревается. По закону сохранения энергии кинетическая энергия свободных заряженных частиц, приобретённая под действием электрического поля, превращается во внутреннюю энергию проводника.

Изменение температуры воды из-за передачи ей теплоты от проволочного нагревателя прямо пропорционально квадрату силы тока, нагревающего проводник. Полученные результаты подтверждают физический закон Джоуля-Ленца.

По сравнению с традиционными экспериментами с использованием: мешалки с мотором или калориметрической лампой по проверке закона Джоуля-Ленца, поставленный эксперимент с использованием датчиков тока, напряжения и температуры отличается простотой проведения, хорошей наглядностью, точностью измерений и быстротой проведения анализа.

Недостатком использования цифровой лаборатории является отсутствие приобретения навыков работы с физическими приборами и расчёта погрешности измерения. Поэтому для повышения эффективности проведения экспериментов в школьной физической лаборатории целесообразно сочетать использование компьютерных технологий и приборов для эмпирического изучения законов природы.

Практическая значимость работы состоит в том, что постановка опыта позволит сократить время на организацию и проведение работы, получить данные, недоступные в традиционных опытах, повысить точность и наглядность экспериментов, быстро обработать и проанализировать полученные данные при изучении темы «Закон Джоуля-Ленца» на уроках физики в 8 классе.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена постановкой опытов по определению зависимости количества теплоты, выделяемого проволочным нагревателем от электропроводности жидкости.

Список литературы

1. Закон Джоуля-Ленца https://ru.wikipedia.org/wiki/Закон_Джоуля_-_Ленца.
2. Закон Джоуля-Ленца: история возникновения https://www.syl.ru/article/231074/mod_zakon-djoulya-lentsa-istoriya-vozniknoveniya.
3. Нагревание током. Закон Джоуля-Ленца http://sernam.ru/book_phis_t2.php?id=57.
4. Опыты Джоуля: механический эквивалент теплоты http://school-collection.lyceum62.ru/bumi/storage/autoindex/1b963b44-8bd7-8205-33e2-a15a180ceb97/00149188564967670/00149188564967670.htm.
5. Проверка закона Джоуля-Ленца https://docviewer.yandex.ru/view/533947506/?*=MRrss9aBGJRv1Oa6ts82Wcsu%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&page=1&lang=ru
6. Фетисов И.Н. Измерение энергии стационарных электрических и магнитных полей с помощью калориметра. Шестая международная конференция «Физика в системе современного образования» (ФССО - 01): Тез. доклада, том 2. Ярославль. Издательство ЯГПУ им. К.Д.Ушинского, 2001.
7. Экспериментальное обоснование закона Джоуля http://physiclib.ru/books/item/f00/s00/z0000053/st131.shtml.
8. Элементарный учебник физики: Учеб. пособие. В 3 т. /Под. Ред. Г.С.Ландсберга: Т.II. Электричество и магнетизм. - М.: Наука. Физматлит, 1995. - 480 с.