1. Работа и мощность
Электрический ток — это поток электрических зарядов. Электрическое поле, перемещая заряды, совершает работу.
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа: \(A = UIt\).
Единицей работы СИ является джоуль (Дж). \(1\) Дж — небольшая работа силы тока.
\(1\) мДж \(= 0,001\) Дж;
\(1\) кДж \(= 1000\) Дж;
\(1\) МДж \(= 1 000 000\) Дж.
Под действием тока многие электрические проводники нагреваются. Количество теплоты, выделяемое током, вычисляется так же, как и работа электрического тока: \(Q = A = UIt\), по закону Ома:
U = IR , поэтому Q = I 2 Rt .
Используя электрооборудование, важно знать скорость совершения работы — мощность.
Обрати внимание!
Мощность — величина, численно равная работе, совершённой в единицу времени: P = A t = UIt t = UI .
Единицей мощности СИ является ватт (Вт).
\(1\) кВт \(= 1 000\) Вт;
\(1\) МВт \(= 1 000 000\) Вт.
Мощность указана на каждом потребителе электроэнергии. Чтобы обеспечить данную мощность, потребитель необходимо подключать к соответствующему источнику тока (соответствующему напряжению).
Используя закон Ома, можно получить и другие формулы мощности:
U = IR и P = UI ⇒ P = I 2 R ; I = U R и P = UI ⇒ P = U 2 R .
Мощность различных приборов:
- электронный микрокалькулятор — \(0,001\) Вт;
- лампы накаливания — \(25 — 5000\) Вт;
- нагреватели воды — \(1000 — 25 000\) Вт;
- автоматическая стиральная машина — \(2200\) Вт;
- трамвай — \(150 000\) Вт;
- ГЭС — \(260\) МВт;
- ТЭС — \(825\) МВт.
1. Механическая работа
Когда автомобиль начинает двигаться, его кинетическая энергия увеличивается. Значит, двигатель автомобиля совершает положительную работу.
Если энергия тела уменьшается, тогда общая совершённая работа является отрицательной.
Когда автомобиль свободно катится по горизонтальной поверхности, его скорость и кинетическая энергия уменьшаются. Значит, сила сопротивления совершает отрицательную работу.
В физике рассматривают физическую работу, которая связана с перемещением тел.
Если при прямолинейном движении на тело действует неизменная сила, направленная в сторону движения тела, тогда работа, произведённая приложенной силой, равна произведению величины силы на величину проделанного перемещения.
Если к телу приложена сила под вертикальным углом к направлению движения тела, как это показано на рисунке, тогда величина совершённой работы зависит от:
1) величины приложенной силы (F), которая совершает работу;
2) расстояния (l), на которое перемещается тело;
3) угла \(α\) между направлением действия силы и направлением движения тела.
Работа определяется по формуле: A = F ⋅ l ⋅ cos α .
Рис. \(1\). Под углом
Обрати внимание!
Если сила направлена параллельно направлению перемещения, тогда угол \(α = 0\), а \(косинус\) угла \(α\) равен \(1\). В этом случае формула упрощается: A = F ⋅ l .
Если проделанный путь является прямолинейным, тогда вместо пути \(l\) можно использовать перемещение (s).
В этом случае формула для расчёта работы приобретает такой вид: A = F ⋅ s .
На трёх рисунках изображены случаи, когда направление силы и направление движения тела совпадают.
1) Действие силы и направление движения тела направлены горизонтально. Например, автомобиль едет по прямому пути, и сила тяги автомобиля приложена в том же направлении.
Рис. \(2\). Параллельно
2) Действие силы и направление движения тела направлены под одинаковым углом наклона по отношению к горизонту. Например, автомобиль едет в гору.
Рис.\(3\). Движение «в гору»
3) Действие силы и направление движения тела направлены вертикально. Например, груз поднимается вверх, и сила упругости троса тоже направлена вверх. В этом случае величину совершённой работы можно рассчитать также по формуле A = m ⋅ g ⋅ h , где
(m) — масса тела, (g) — ускорение свободного падения,
(h) — высота подъёма тела над поверхностью земли.
Рис. \(4\). Движение вверх
Обрати внимание!
Если направление действия силы противоположно направлению движения, тогда совершаемая этой силой работа отрицательна.
Работа отрицательна, так как функция \(косинус\) в интервале значений угла \(90° — 180°\) является отрицательной.
Таким образом, любая работа, совершённая силой трения или сопротивления, является отрицательной.
Когда автомобиль едет с равномерной скоростью по прямой дороге, как это показано на рисунке, работа силы тяги автомобиля является положительной, а работа силы сопротивления равна по величине, но является отрицательной. В результате этого кинетическая и потенциальная энергия автомобиля остаются неизменными.
Если сила направлена прямо противоположно направлению движения, тогда работу вычисляют по формуле: A = − F ⋅ l .
1. Физическая работа
Когда автомобиль начинает двигаться, его кинетическая энергия увеличивается. Значит, двигатель автомобиля совершает положительную работу.
Если энергия тела уменьшается, тогда общая совершённая работа является отрицательной.
Когда автомобиль свободно катится по горизонтальной поверхности, его скорость и кинетическая энергия уменьшаются. Значит, сила сопротивления совершает отрицательную работу.
В физике рассматривают физическую работу, которая связана с перемещением тел.
Если при прямолинейном движении на тело действует неизменная сила, направленная в сторону движения тела, тогда работа, произведённая приложенной силой, равна произведению величины силы на величину проделанного перемещения.
Если к телу приложена сила под вертикальным углом к направлению движения тела, как это показано на рисунке, тогда величина совершённой работы зависит от:
1) величины приложенной силы (F), которая совершает работу;
2) расстояния (l), на которое перемещается тело;
3) угла \(α\) между направлением действия силы и направлением движения тела.
Работа определяется по формуле: A = F ⋅ l ⋅ cos α .
Рис. \(1\). Под углом
Обрати внимание!
Если сила направлена параллельно направлению перемещения, тогда угол \(α = 0\), а \(косинус\) угла \(α\) равен \(1\). В этом случае формула упрощается: A = F ⋅ l .
Если проделанный путь является прямолинейным, тогда вместо пути \(l\) можно использовать перемещение (s).
В этом случае формула для расчёта работы приобретает такой вид: A = F ⋅ s .
На трёх рисунках изображены случаи, когда направление силы и направление движения тела совпадают.
1) Действие силы и направление движения тела направлены горизонтально. Например, автомобиль едет по прямому пути, и сила тяги автомобиля приложена в том же направлении.
Рис. \(2\). Параллельно
2) Действие силы и направление движения тела направлены под одинаковым углом наклона по отношению к горизонту. Например, автомобиль едет в гору.
Рис.\(3\). Движение «в гору»
3) Действие силы и направление движения тела направлены вертикально. Например, груз поднимается вверх, и сила упругости троса тоже направлена вверх. В этом случае величину совершённой работы можно рассчитать также по формуле A = m ⋅ g ⋅ h , где
(m) — масса тела, (g) — ускорение свободного падения,
(h) — высота подъёма тела над поверхностью земли.
Рис. \(4\). Движение вверх
Обрати внимание!
Если направление действия силы противоположно направлению движения, тогда совершаемая этой силой работа отрицательна.
Работа отрицательна, так как функция \(косинус\) в интервале значений угла \(90° — 180°\) является отрицательной.
Таким образом, любая работа, совершённая силой трения или сопротивления, является отрицательной.
Когда автомобиль едет с равномерной скоростью по прямой дороге, как это показано на рисунке, работа силы тяги автомобиля является положительной, а работа силы сопротивления равна по величине, но является отрицательной. В результате этого кинетическая и потенциальная энергия автомобиля остаются неизменными.
Если сила направлена прямо противоположно направлению движения, тогда работу вычисляют по формуле: A = − F ⋅ l .
2. Работа и мощность тока
напряжение на концах участка цепи численно равно работе, которая совершается при прохождении по этому участку электрического заряда в 1 Кл.
При прохождении по этому же участку электрического заряда, равного не \(1\) Кл, а, например, \(10\) Кл, совершённая работа будет в \(10\) раз больше.
Это означает, чтобы определить работу электрического тока на каком-либо участке цепи, надо напряжение на концах этого участка цепи умножить на электрический заряд, прошедший по нему: A = U ⋅ q ,
Для выражения любой из величин можно использовать приведенные ниже рисунки.
Электрический заряд, прошедший по участку цепи, можно определить, измерив силу тока и время его прохождения: q = I ⋅ t . Используя это соотношение и подставляя его в формулу A = U ⋅ q , получим формулу для нахождения работы электрического тока: A = U ⋅ I ⋅ t .
Работа электрического тока на участке цепи равна произведению напряжения на концах этого участка на силу тока и на время, в течение которого совершалась работа.
Чтобы выразить любую из величин из данной формулы, можно воспользоваться рисунком
Как известно, работу измеряют в джоулях, напряжение — в вольтах, силу тока — в амперах и время в секундах.
Тогда 1 джоуль = 1 вольт · 1 ампер · 1 секунду , или 1 Дж = 1 В · А · С .
Из выше сказанного следует, что для измерения работы электрического тока нужны вольтметр, амперметр и часы. Например, для определения работы, которую совершает электрический ток, проходя по спирали лампы накаливания, необходимо собрать цепь, изображенную на рисунке. Вольтметром измеряется напряжение на лампе, амперметром – сила тока в ней. А при помощи часов (секундомера) засекается время горения лампы.