МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
КГУ «Глубоковский технический колледж» управления образования ВКО
БИНАРНЫЙ УРОК
ПО ФИЗИКЕ, ИНФОРМАТИКЕ И
ТЕХНОЛОГИИ СВАРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА
тема: «Закон Джоуля - Ленца»
Преподаватель физики и информатики
Попова О.А.
Преподаватель спецтехнологии
Кимасов В.Б.
п. Верхнеберезовский
Цели урока:
Образовательные:
сформировать у учащихся понятие о тепловом действии тока применении его в сварочном деле;
показать взаимосвязь физики и спецтехнологии;
сформировать у учащихся умение решать физические задачи, используя среду электронной таблицы;
закрепить умения и навыки учащихся: ввод и редактирование данных в таблицу, выполнение расчетов, построение графиков и диаграмм в среде Excel
Развивающие:
формирование критического и творческого мышления;
формирование умения практически применять знания, умения и навыки в различных ситуациях;
развивать мыслительную деятельность учащихся;
развивать познавательную деятельность учащихся;
повышать интерес к выбранной профессии.
Воспитательные:
формирование в сознании учащихся научной картины мира, самостоятельности и активности в учебном процессе;
использование информационных технологий с целью повышения интереса к изучению физики.
Оборудование: интерактивная доска (или проектор с экраном), рабочие места учащихся с ПК, разработки лабораторной работы для учащихся, программное обеспечение: табличный процессор Excel, презентация в PowerPoint
Тип урока: урок изучения нового материала с использованием ИКТ.
Вид урока: интегрированный урок физики, спецтехнологии и информатики.
План урока:
|
Этапы урока
|
длительность
|
Формы и методы обучения:
|
I.
|
Организационный момент
|
2 мин
|
|
II.
|
Вводная часть. Постановка задач урока
|
5 мин
|
Рассказ преподавателя. Беседа.
|
III.
|
Актуализация знаний учащихся.
|
15 мин.
|
Решение индивидуальных разноуровневых заданий. Фронтальный опрос.
|
IV.
|
Объяснение нового материала
|
25 мин.
|
Лекция. Беседа. Демонстрация. Опорный конспект.
|
V.
|
Формирование умений и навыков
|
5 мин
|
Решение задач
|
VI.
|
Моделирование решения физической задачи
с помощью MS Excel
|
20 мин
|
Обсуждение. Беседа. Работа в парах, группах на ПК.
|
VII.
|
Подведение итогов
|
5 мин.
|
Выставление оценок, комментарии преподавателя
|
VIII.
|
Домашнее задание
|
3 мин.
|
Сообщение преподавателя
|
Ход урока
Организационный момент
Учащиеся готовятся к уроку, достают письменные принадлежности.
Вводная часть
Преподаватель физики и информатики:
Физика – фундаментальная наука. В основе всех технических наук, так или иначе, лежат физические законы и явления. В настоящее время все больше и больше уделяется внимания подготовке высококвалифицированных специалистов, способных не только выполнять определенную работу, но и подходить к ней творчески. Каждый специалист должен уметь работать с необходимой для данной профессии техникой, а также понимать суть технологических процессов.
Сегодня у нас не совсем обычный урок. Во-первых, в нем соединены три предмета – физика, информатика и технология сварочного производства. На уроке мы познакомимся с тепловым действие электрического тока. Дадим формулировку закона Джоуля-Ленца. Во-вторых, на сегодняшнем уроке мы покажем взаимосвязь физики и технологии сварочного производства. И, в-третьих, научимся подбирать режимы сварки, рассчитывать количество теплоты при помощи возможностей пакета MS Excel.
Преподаватель спецтехнологии:
Сегодня мы научимся соединять знания по физике, информатике и технологии сварочного производства. Мы поймем, откуда берется тепло и как оно расходуется при сварочных процессах. Узнаем, в каких количествах требуется тепло для сварки деталей различных сечений и различных материалов. Потренируемся рассчитывать параметры сварки в программе MS Excel.
Преподаватель физики и информатики:
Эпиграфом к нашему уроку можно взять слова Аристотеля "Ум заключается не только в знании, но и в умении прилагать знание на деле". Сегодня на уроке мы еще раз должны подтвердить эти слова.
III. Актуализация знаний
Преподаватель физики и информатики:
Ребята, у вас на столах лежат опорные конспекты по теме нашего урока.
Сначала мы вместе восхитимся глубокими знаниями — а для этого выполним проверочную работу по теме «Работа и мощность электрического тока» с помощью индивидуальных карточек с дифференцированными заданиями.
По результатам проверочной работы попробуем ответить на вопрос «Хорошо ли мы усвоили тему «Работа и мощность электрического тока»?».
Затем вытащим из тайников памяти кое-что ценное... – в виде блицтурнира вспомним основные приемы работы с MS Excel.
Вопросы к группе:
Как запустить табличный процессор?
Ячейка. Как задать адрес ячейки?
Как ввести в ячейку формулу?
Как вставить диаграмму?
Как выбрать тип диаграммы?
Как вывести график и таблицу на печать?
IV. Объяснение нового материала.
Преподаватель физики и информатики
При введении понятия работы электрического тока мы уже пользовались, тепловым действием тока (нагревание проводников). Собираем электрическую цепь, в которую последовательно включаем лампу накаливания и реостат. Для измерения силы тока и напряжения на лампе применяем амперметр и вольтметр.
- Почему при прохождении электрического тока проводник нагревается?
Вы неоднократно наблюдали тепловое действие тока в бытовых приборах. На опыте с лампой накаливания вы убедились, что накал лампы возрастал при увеличении тока. Но нагревание проводников зависит не только от силы тока, но и от сопротивления проводников.
Преподаватель спецтехнологии:
Тепловое действие тока используется не только в физике, но и в промышленности для обеспечения сварочных процессов. Нагрев обеспечивается за счет выделения тепла в месте контакта деталей при пропускании электрического тока. Как правило, нагрев свариваемых деталей ведут до расплавления металла, и лишь в некоторых случаях до пластического состояния. Выделение тепла в месте контакта деталей при пропускании электрического тока обеспечивается за счет физического процесса носящего название закон Джоуля – Ленца. Но следует запомнить, что КПД этого процесса в сварке всего 24%.
Преподаватель физики и информатики
Вы уже знаете формулу для работы A = UIt. Кроме того, вам известно, что в неподвижных проводниках вся работа тока идет лишь на нагревание проводников, т. е. на то, чтобы увеличь их внутреннюю энергию.
Из закона Ома для участка цепи U = IR. Если это учесть, то Q = I2Rt.
Количество теплоты, выделяемое проводником с током, равно произведению квадрата силы тока, сопротивления проводника и времени.
Это и есть закон Джоуля – Ленца.
Необходимо заметить, что формулы Q = I2Rt, Q = UIt и Q = U2t/R, вообще говоря, не идентичны. Дело в том, что первая формула всегда определяет превращение электрической энергии во внутреннюю, т. е. количество теплоты. По другим формулам в общем случае определяют расход электрической энергии, идущей как на нагревание, так и на совершение механической работы. Для неподвижных проводников эти формулы совпадают.
Преподаватель спецтехнологии:
Основную роль в сварочных процессах играет сила сварочного тока, например если увеличить силу тока в 2 раза, то количество тепла вырастет в 4 раза, значит можно уменьшить или время нагрева (сварки собственно) в 4 раза, или общее сопротивление зоны сварки в 4 раза.
При этом все тепло, которое выделится в результате физического процесса пойдет на процесс сварочный и послужит созданию сварного соединения. Рассмотрим для примера такой вид сварки как контактная сварка.
Контактная сварка применяется в промышленности и строительстве для соединения встык металлических стержней различного сложного сечения. Свариваются рельсы и трубы, коробчатый профиль и арматура. Можно соединять сталь и цветные металлы между собой. В общем-то, это единственный способ сварки разнородных материалов друг с другом с получением прочного сварного соединения.
Преподаватель физики и информатики
А сейчас мы посмотрим фрагмент фильма «Электрические явления».
- Какой вывод вы можете сделать, просмотрев фрагмент данного фильма?
Вывод: Нагревание проводников зависит от их сопротивления. Чем больше сопротивление проводника, тем больше он нагревается.
Преподаватель спецтехнологии:
- Скажите, ребята, как данные выводы можно использовать в сварке?
Ответ: Раз тепло используется в сварке, значит, чем больше сопротивление, тем больше он греется и, следовательно, качественнее сварится, меньше времени потребуется на процесс сварки. Изменяя сопротивление деталей можно управлять процессом сварки.
Преподаватель физики и информатики
- Скажите, ребята, как вы думаете, из какого материала необходимо изготовлять спирали для лампочек накаливания?
- Какими свойствами должен обладать металл, из которого изготовляют спирали нагревательных элементов?
Сейчас мы с вами познакомимся с устройством лампы накаливания
Устройство лампы накаливания:
На рисунке изображена газонаполненная лампа накаливания. Концы спирали 1 приварены к двум проволокам, которые проходят сквозь стержень из стекла 2 и припаяны к металлическим частям цоколя 3 лампы: одна проволока — к винтовой нарезке, а другая — к изолированному от нарезки основанию цоколя 4. Для включения лампы в сеть ее ввинчивают в патрон. Внутренняя часть патрона содержит пружинящий контакт 5, касающийся основания цоколя лампы, и винтовую нарезку 6, удерживающую лампу. Пружинящий контакт и винтовая нарезка патрона имеют зажимы, к которым прикрепляют провода от сети.
Тепловое действие тока используют в различных электронагревательных приборах и установках. В домашних условиях широко применяют электрические плитки, утюги, чайники, кипятильники, тостеры, бойлеры 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, инкубаторы, сушат зерно.
Основная часть всякого нагревательного электрического прибора — нагревательный элемент. Нагревательный элемент представляет собой проводник с большим удельным сопротивлением, способный, кроме того, выдерживать, 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 ρ= 1,1 Ом∙мм2/м что примерно в 70 раз больше удельного сопротивления меди. Большое удельное сопротивление нихрома дает возможность изготовлять из него весьма удобные — малые по размерам — нагревательные элементы.
V. Формирование умений и навыков.
А сейчас я предлагаю коллективно обсудить решения нескольких задач и ответить на вопросы:
- Две проволоки одинаковой длины и сечения - железная и медная - соединены параллельно. В какой из них выделится большее количество теплоты?
- Спираль электрической плитки укоротили. Как изменится количество выделяемой в ней теплоты, если плитку включить в то же напряжение?
- В чем проявляется тепловое действие тока? При каких условиях оно наблюдается?
- Почему при прохождении тока проводник нагревается?
- Почему, когда по проводнику пропускают электрический ток, проводник удлиняется?
А теперь мы решим 2 задачи с целью закрепления полученных знаний:
Задача №1
Какое количество теплоты выделится в течение часа в проводнике сопротивлением 10 Ом при силе тока 2 А?
Задача №2
Какое сопротивление нужно включить в сеть с напряжением 220 В, чтобы в нем за 10 мин выделилось 66 кДж теплоты?
VI. Моделирование решения физической задачи с помощью MS Excel.
Преподаватель спецтехнологии:
С целью формирования умений и навыков предлагается задача по физике практической направленности – расчет параметров режима контактной сварки, и сравнения результатов расчета в графическом варианте.
Рассчитать параметры режима контактной сварки в MS Excel пользуясь разработкой лабораторной работы.
Условие: Даны 2 прутка из низкоуглеродистой стали и 2 прутка из латуни. Геометрические параметры прутков 2,5х10 мм, 5х10 мм, 10х10 мм для каждого материала соответственно. Определить площадь поперечного сечения, силу сварочного тока, сопротивление на участке установочной длины, количество теплоты, выделившееся при сварке. При этом пользоваться таблицами, приведенными в лабораторной работе.
L1+ L2 - суммарная установочная длина, мм.
Сос - припуск на осадку, мм
Возможность равномерно нагреть заготовки по всему сечению в прилегающих к стыку зонах и обеспечить возможность одинаковой пластической деформации обеих заготовок – достигается соблюдением равенства L1= L2 при условии, что все остальные параметры подобраны, верно.
Преподаватель физики и информатики
Перед тем как вам приступить к выполнению задания на компьютере, давай вспомним правила техники безопасности при работе за персональным компьютером.
VII. Подведение итогов
Преподаватель физики и информатики:
Давайте проанализируем полученные вами результаты. Какие еще данные можно извлечь, исходя из данных графических зависимостей?
Преподаватель спецтехнологии:
О чем свидетельствует диаграмма, полученная вами?
Вывод: Чем больше сечение стержня, тем больше требуется тепла для его сварки. Для сварки стали требуется тепла больше чем для сварки латуни.
Преподаватель физики и информатики:
В чем преимущества и недостатки оформления решения задач с помощью компьютера?
Выставление оценок.
VIII. Домашнее задание:
Составьте модель решения следующей задачи с помощью табличного процессора MS Excel:
Определите количество теплоты, которое дает электроприбор мощностью 2 кВт за 10 мин работы? |
