Materiały pochodzą z Platformy Edukacyjnej Portalu Wszelkie treści i zasoby edukacyjne publikowane na łamach Portalu mogą być wykorzystywane przez jego Użytkowników wyłącznie w zakresie własnego użytku osobistego oraz do użytku w szkołach podczas zajęć dydaktycznych. Kopiowanie, wprowadzanie zmian, przesyłanie, publiczne odtwarzanie i wszelkie wykorzystywanie tych treści do celów komercyjnych jest niedozwolone. Plik można dowolnie modernizować na potrzeby własne oraz do wykorzystania w szkołach podczas zajęć dydaktycznych.

SIŁA Jak obliczmy siłę, która działa na ciało o masie m nadając mu przyspieszenie a ? W jakich jednostkach mierzymy siłę? F = m a 1N = 1 kg 1m/s 2 (niuton) PRACA Jak obliczmy pracę, która została wykonana, gdy pod działaniem siły F ciało ulegnie przemieszczeniu o odcinek s ? W jakich jednostkach mierzymy pracę? W = F s 1 J = 1 N 1 m (dżul) MOC Jak obliczyć moc urządzenia, które wykonuje pracę w czasie t ? W jakich jednostkach mierzymy moc? P = W / t 1W = 1J / 1s (wat) ENERGIA Jakie znasz rodzaje energii? Jak obliczyć ilość ciepła, którą pobierze ciało o masie m, gdy jego temperatura wzrasta o ( T 2 – T 1 ) stopni ? Mechaniczna: Potencjalna, kinetyczna Wewnętrzna Q = mc ( T 2 – T 1 )

Wielkość fizyczna OznaczenieJednostkaOkreślenie Ładunek elektryczny Q (q)kulomb (C) Cecha, która decyduje o zdolności ciał do udziału w oddziaływaniach elektrostatycznych Natężenie prądu I = q/tAmper (A) Stosunek przepływającego ładunku do czasu jego przepłynięcia Napięcie elektryczne U = W/qWolt (V) Napięcie elektryczne między końcami przewodnika to praca, jaką wykonują siły elektryczne przy przesunięciu wewnątrz przewodnika ładunku jednego kulomba Opór elektryczny ROm () Opór elektryczny przewodnika wykonanego z danej substancji jest proporcjonalny do jego długości, a odwrotnie proporcjonalny do pola przekroju poprzecznego Zależy od cech przewodnika: rodzaju, grubości i długości Zależy od temperatury

Swobodne elektrony przenoszą w obwodzie energię elektryczną dostarczoną im przez źródło za pośrednictwem pola elektrycznego. Zjawisku przepływu prądu elektrycznego towarzyszy przepływ energii elektrycznej ze źródła do odbiorników Może być ona wykorzystana w różny sposób, na przykład zamieniona na energię cieplną, mechaniczną czy energię promieniowania.

Praca, którą wykonuje pole elektryczne przy przenoszeniu ładunku Q pomiędzy punktami pola, między którymi panuje napięcie U, ma wartość: W = q U (1) Energia elektryczna przenoszona w czasie przepływu prądu elektrycznego do dowolnej części obwodu jest wprost proporcjonalna do napięcia panującego na tej części obwodu i przepływającego ładunku elektrycznego. Prąd elektryczny, płynąc przez przewodnik, wykonuje pracę równoważną energii elektrycznej. Z definicji natężenia prądu: I = q / t wyznaczmy Q Q = I t W = q U W = I t U (2) Praca wykonana przez prąd płynący w przewodniku jest proporcjonalna do iloczynu napięcia, natężenia prądu i czasu.

W przypadku, gdy odbiornikiem energii elektrycznej jest opornik, cała praca prądu elektrycznego zamienia się w sposób nieodwracalny na energię wewnętrzną przewodnika. Zależność ta określa ilość energii cieplnej, wydzielanej podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik. W = I 2 R t (3 ) Przy niezmiennym oporze odbiornika ilość ciepła przekazanego otoczeniu jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu Prawo Joulea - Lenza Przy niezmiennym oporze odbiornika ilość ciepła przekazanego otoczeniu jest proporcjonalna do kwadratu natężenia prądu Prawo Joulea - Lenza

q, U W = q U (1) q – ładunek U - napięcie q = It ( z def. natężenia)W = I t U (2) I – natężenie U – napięcie t - czas Stosuje się do wszystkich przemian energii elektrycznej q = It ( z def. natężenia) U = I R ( z prawa Ohma) W = I t I R W = I 2 R t (3) I – natężenie t – czas R - opór Stosuje się tylko do przemian energii elektrycznej w ciepło I = U / R ( prawo Ohma) przekształcamy wzór W = U I t W = U U/R t W = U 2 /R t W = U 2 t / R U – napięcie t – czas R - opór Stosuje się tylko do przemian energii elektrycznej w ciepło Na zaciskach danego urządzenia panuje napięcie 1 V, gdy płynący w tym urządzeniu prąd o natężeniu 1 A wykonuje w ciągu 1 s pracę 1 J W = I t U U = W / I t1 V = 1 J / 1 A 1 s

Oblicz pracę prądu elektrycznego przepływającego przez żarówkę w czasie 5 min.. Napięcie źródła 4,5V, natężenie przepływającego prądu 0,25A Dane: t = 5 min = 300s U = 4,5V I = 0,25A Oblicz W = ? Korzystamy ze wzoru na pracę prądu elektrycznego: W = U I t W = 4,5V 0,25A 300s W = 337,5J Odp: Prąd wykona pracę 337,5 J Jaką ilość energii elektrycznej uzyskamy, jeśli połączymy źródło prądu o napięciu 2V z opornikiem o oporze 6 i będziemy przepuszczać prąd w ciągu 12 s ? Dane: t = 12s U = 2V R = 6 Oblicz E = ? Korzystamy z postaci : E = U 2 t / R E = (2V) 2 12s / 6 E = 4V 2 12s / 6 E = 8 J Odp: Wartość uzyskanej energii to 8 J

Jaka ilość ciepła wydzieli się w oporniku o oporze 2, jeśli włączymy prąd o natężeniu 0,5A i będziemy go przepuszczać w ciągu 5s ? Dane: t = 5s I = 0,5A R = 2 Oblicz Q= ? Q = W W = I 2 R t Q = (0,5A) 2 2 5s Q = 0,25A 2 2 5s Q = 2,5 J Odp: Wydzieli się ciepło 2,5J W naczyniu znajduje się 30g nafty o T 1 = 20 o C. Opór spirali grzałki wynosi 2. Czas przepływu prądu wynosił 5 min. Po tym czasie temperatura nafty wzrosła do T 2 = 30 o C.Jakie było natężenie płynącego prądu?( Przyjmujemy, że nie ma strat cieplnych) Dane: m = 30g = 0,03kg T 1 = = 20 o C T 2 = 30 o C R = 2 t = 5min = 300s Oblicz I= ? Q = W Obliczmy ilość energii, jaką pobrała nafta: Q = cm ( T 2 –T 1 ) Q = 2000J/ kg o C 0,03kg 10 o C Q = 600J Przyjmujemy, że ilość pobranego ciepła równa jest energii elektrycznej : Q = I 2 R t Wyznaczamy natężenie prądu: Q = I 2 R t |: (Rt) Q / (Rt) = I 2 I 2 = 600J / 2 300s = 1 J/s [ CV/ Vs/A = C/s A = A 2 ] I = 1A

Winda o ciężarze 6080N wznosi się na wysokość 15m w ciągu 20s. Silnik poruszający windę pracuje pod napięciem 380V. Oblicz natężenie prądu w obwodzie elektrycznym silnika. Straty energii pomijamy. U F P h I Dane: F = 6080 N s = h = 15 m t = 20 s U = 380 V Oblicz : I = ? 1.Obliczamy pracę, jaką wykonał silnik elektryczny W = E p = mgh = F h W = 6080 N 15 m = J Korzystamy ze wzoru na pracę prądu elektrycznego: W = I U t (2) Wyznaczamy ze wzoru I ( natężenie): W = I U t | : U t I = W / (U t)I = J / (380 V 20s) I = 12 A Odp: Natężenie płynącego w silniku prądu ma wartość I = 12 A

Moc określa pracę prądu elektrycznego wykonaną w jednostce czasu P = W / t Wzór na pracęWzór na moc W = q U (1)W = q U / t (1) W = I t U (2)W = I U (2) W = I 2 R t (3)W = I 2 R (3) W = U 2 t / RW = U 2 / R (4) Podstawową jednostką mocy w układzie SI jest wat W = J/s Pracę prądu często wyrażamy w kilowatogodzinach (kWh) 1 kilowatogodzina odpowiada ilości energii elektrycznej, którą zużywa urządzenie o mocy 1 kW w ciągu godziny.

Żarówka oświetleniowa popularnie zwana setką podłączona do sieci energetycznej (U = 230 V) ma moc P = 100 W. Oblicz natężenie prądu płynącego przez żarówkę i jej opór elektryczny. Jaka będzie wartość pracy prądu elektrycznego, gdy czas zasilania żarówki wyniesie 15 min? Dane: U = 230V P = 100W t = 15min 900s = 0,25h I = ? ; R =? ; W = ? P = U I I = P / UI = 100W / 230V I 0,43A I = U/R R = U/IR = 230W / 0,43A R 535 W = P t W = 100W 900s = 90000J = 90000/ kWh = 0,025 kWh Dane nominalne żaróweczki 3,8 V i 0,3A określają maksymalne wartości napięcia i natężenia prądu, przy których może ona pracować i nie ulec przepaleniu. Na podstawie tych wartości można obliczyć moc: P = U I P = 3,8V 0,3A = 1,14W

Mieszkanie zasilane instalacją 230V oświetlają 4 żarówki, a w każdej płynie prąd o natężeniu 0,5A. Jaka maksymalną moc może mieć urządzenie elektryczne, które można jeszcze włączyć, jeśli bezpiecznik jest sześcio amperowy? Dane: U = 230V Iż = 0,5A I B = 6A Oblicz W max = ? 1) Obliczmy całkowity maksymalny pobór mocy: W = U I W = 230V 6A W c= 1380J 2) Obliczmy jaką moc mają żarówki Wż = 4 230V 0,5A Wż = 460J 3)Obliczmy max moc urządzenia, które możemy jeszcze podłączyć. W max = Wc – Wż W max = 1380J – 460j W max = 920J Odp: Maksymalna moc dodatkowego odbiornika może wynosić 920W

Grzałkę elektryczną o mocy 400W, dostosowaną do napięcia 220V, włączono do napięcia 110V. Jak długo potrwa ogrzewanie 500g wody od temperatury 15 0 C do temperatury 95 0 C, jeśli straty energii dostarczonej przez grzałkę podczas ogrzewania wynoszą 20%? 1) Ponieważ grzałka znajduje się pod mniejszym napięciem, więc jej moc nie będzie maksymalna P = U I.P = U U/R U 2 / R Aby obliczyć moc grzałki, gdy pracuje pod napięciem 110V, trzeba znać jej opór. Wiemy, że moc grzałki pod napięciem 220V ma wartość 400W P = U 2 /R R = U 2 / P R = (220V) 2 / 400W R = 121 Moc grzałki pracującej pod U = 110V wynosi: P =(110V) 2 / 121 P = 100W

2) Jaka ilość pobranego ciepła potrzebna jest do ogrzania 500g wody o 80 o C? Q = J 3) Pamiętając, że straty cieplne wynoszą 20%, obliczmy jaką energię Qc musi wydzielić grzałka: 0,8Qc = J Qc = J 4) Obliczmy, czas w którym grzałka będąca pod napięciem 110V wykona pracę J W = P t t = W /P t = J : 100W [ J J/s = s] t =2100 s Odp: Czas ogrzewania to 2100s

Instalacja domowa składa się z Bezpiecznika głównego – chroni całą instalacją przed poborem prądu, który mógłby ją uszkodzić; ten bezpiecznik znajduje się jeszcze przed licznikiem i dlatego jest zaplombowany przez zakład energetyczny. Licznika – cały prąd, który dopływa do domu z elektrowni przepływa przez to urządzenie; rozgałęzienie instalacji w domu następuje za licznikiem. Bezpieczników – chronią poszczególnie obwody aby nie płynął w nich za duży prąd. Te bezpieczniki są czulsze niż bezpiecznik główny. W przypadku zwarcia w obwodzie najpierw zadziała bezpiecznik dla tego obwodu, a dopiero w ostateczności bezpiecznik główny Przewodów rozprowadzających – zapewniają drogę dla przepływu prądu do każdego gniazdka lub odbiornika. Wykonane są z dobrze przewodzącego metalu aby miały jak najmniejszą oporność. Odbiorników – czyli wszystkich urządzeń które do swojego działania potrzebują energii elektrycznej.

Bibliografia Fizyka 8 B. Mazur Fizyka 3 Roznebajgier Nauczanie fizyki M. Wessely