Лабораторная работа 6, страница 34 - гдз по физике 8 класс тетрадь для лабораторных работ Исаченкова, Громыко

Проверьте себя

1. Какое соединение потребителей называют параллельным?

Параллельным соединением потребителей называют такой способ подключения, при котором все потребители подключены между двумя общими точками цепи, так что напряжение на каждом из них одинаково.

Ответ: Параллельное соединение - это соединение, при котором все потребители подключены к одним и тем же двум узлам электрической цепи, обеспечивая одинаковое напряжение на каждом из них.

2. Какие основные закономерности выполняются при параллельном соединении потребителей?

При параллельном соединении потребителей выполняются следующие закономерности:1. Напряжение на всех участках цепи одинаково: $U = U_1 = U_2 = \dots = U_n$.2. Общая сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов, протекающих через каждый отдельный потребитель: $I = I_1 + I_2 + \dots + I_n$.3. Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям каждого потребителя: $\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_n}$. Для двух резисторов это можно записать как $R = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$.4. При параллельном соединении общее сопротивление цепи всегда меньше сопротивления любого из подключенных резисторов.

Ответ: При параллельном соединении напряжение на всех потребителях одинаково, общая сила тока равна сумме токов через каждый потребитель, а величина, обратная общему сопротивлению, равна сумме величин, обратных сопротивлениям каждого потребителя.

Ход работы

I. Сборка Электрической цепи и измерения ее основных параметров.

1. Соберите электрическую цепь согласно рисунку, не включая вольтметр. После проверки цепи учителем замкните ключ. Запишите в таблицу показание $I_0$ амперметра. Можно ли утверждать, что ток силой $I_0$ протекает по каждому из резисторов? Почему?

Нет, нельзя утверждать, что ток силой $I_0$ протекает по каждому из резисторов. Амперметр, включенный в неразветвленную часть цепи (как показано на рисунке в главной ветви), измеряет общий ток $I_0$, который поступает к параллельно соединенным резисторам. Согласно первому правилу Кирхгофа для узла, общий ток разветвляется на отдельные токи, протекающие через каждый резистор ($I_1$ и $I_2$), так что $I_0 = I_1 + I_2$. Следовательно, по каждому из резисторов протекает только часть общего тока, если их сопротивления не равны или если не подключен только один резистор.

Ответ: Нет, ток силой $I_0$ не протекает по каждому из резисторов, так как $I_0$ является общим током, который разветвляется на части, протекающие через каждый резистор.

2. Подключите вольтметр к точкам M и N цепи. Запишите в таблицу показание $U_0$ вольтметра. Изобразите схему полной цепи. Напряжение на каком из резисторов измеряет вольтметр?

Вольтметр, подключенный к точкам M и N, измеряет напряжение на всем параллельном участке цепи. Поскольку резисторы $R_1$ и $R_2$ соединены параллельно между этими же точками M и N, вольтметр измеряет напряжение, приложенное к каждому из этих резисторов, так как при параллельном соединении напряжение на всех параллельных ветвях одинаково.

Ответ: Вольтметр измеряет напряжение на каждом из параллельно соединенных резисторов $R_1$ и $R_2$, так как они подключены между теми же точками M и N, к которым подключен вольтметр.

3. Применяя закон Ома к участку MN, определите и запишите в таблицу его сопротивление $R_0 = \frac{U_0}{I_0}$.

Дано:

В ходе эксперимента были получены следующие значения:

Сила тока в неразветвленной части цепи $I_0 = 0.6 \, \text{А}$

Напряжение на параллельном участке цепи $U_0 = 4.0 \, \text{В}$

Перевод в СИ:

Данные уже приведены в единицах СИ (амперы, вольты).

Найти:

Сопротивление участка цепи $R_0$.

Решение:

Согласно закону Ома для участка цепи, сопротивление $R_0$ равно отношению напряжения $U_0$ к силе тока $I_0$ на этом участке.

$R_0 = \frac{U_0}{I_0}$

$R_0 = \frac{4.0 \, \text{В}}{0.6 \, \text{А}} \approx 6.67 \, \text{Ом}$

Ответ: Сопротивление участка цепи $R_0 \approx 6.67 \, \text{Ом}$.

II. Проверка законамерностей паралельного соединения.

1. Запишите в таблицу паспортные значения $R_1$ и $R_2$ резисторов, указанные на их панельках, и по формуле $R = \frac{R_1R_2}{R_1+R_2}$ вычислите и запишите в таблицу значение сопротивления участка MN.

Дано:

Паспортные значения резисторов:

Сопротивление первого резистора $R_1 = 10 \, \text{Ом}$

Сопротивление второго резистора $R_2 = 20 \, \text{Ом}$

Перевод в СИ:

Данные уже приведены в единицах СИ (ом).

Найти:

Общее сопротивление параллельного участка цепи $R$.

Решение:

Для параллельного соединения двух резисторов общее сопротивление $R$ вычисляется по формуле:

$R = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$

$R = \frac{10 \, \text{Ом} \cdot 20 \, \text{Ом}}{10 \, \text{Ом} + 20 \, \text{Ом}}$

$R = \frac{200 \, \text{Ом}^2}{30 \, \text{Ом}}$

$R \approx 6.67 \, \text{Ом}$

Ответ: Общее сопротивление участка MN $R \approx 6.67 \, \text{Ом}$.

2. Сравните рассчитанное значение $R$ с сопротивлением участка $R_0$, найденным по результатам измерений. Сделайте вывод.

Сравним рассчитанное значение $R \approx 6.67 \, \text{Ом}$ (полученное по паспортным данным и формуле для параллельного соединения) с сопротивлением $R_0 \approx 6.67 \, \text{Ом}$ (полученным из измеренных значений $U_0$ и $I_0$ по закону Ома). Эти значения совпадают (или очень близки с учетом погрешностей измерений). Это подтверждает справедливость формулы для расчета общего сопротивления при параллельном соединении резисторов и закона Ома.

Ответ: Рассчитанное значение $R$ и измеренное значение $R_0$ практически совпадают, что подтверждает правильность формулы для общего сопротивления параллельного соединения и закона Ома.

3. Исключите из цепи вольтметр и амперметр. Включите амперметр между точками цепи M и K и после проверки схемы учителем измерьте и запишите в таблицу значение силы тока $I_1$ в первом резисторе сопротивлением $R_1$. Аналогично, включив амперметр между точками M и L, измерьте и запишите в таблицу значение силы тока $I_2$ во втором резисторе сопротивлением $R_2$.

Эта часть является описанием экспериментальной процедуры, по которой не требуется прямой ответ, а результаты измерений предполагаются для следующего пункта.

Ответ: Данный пункт описывает процедуру измерения токов в отдельных ветвях параллельного соединения.

4. Сравните значения силы токов $I_1, I_2$ в отдельных резисторах и значение силы тока $I_0$ в неразветвленной части цепи. Сделайте вывод.

Дано:

Общая сила тока в неразветвленной части цепи $I_0 = 0.6 \, \text{А}$

Сила тока через первый резистор $I_1 = 0.4 \, \text{А}$ (предполагаемое значение из эксперимента, $U_0/R_1 = 4.0 \, \text{В} / 10 \, \text{Ом} = 0.4 \, \text{А}$)

Сила тока через второй резистор $I_2 = 0.2 \, \text{А}$ (предполагаемое значение из эксперимента, $U_0/R_2 = 4.0 \, \text{В} / 20 \, \text{Ом} = 0.2 \, \text{А}$)

Перевод в СИ:

Данные уже приведены в единицах СИ (амперы).

Найти:

Сравнить $I_0$ с суммой $I_1 + I_2$ и сделать вывод.

Решение:

Суммируем силы токов, измеренные в отдельных резисторах:

$I_1 + I_2 = 0.4 \, \text{А} + 0.2 \, \text{А} = 0.6 \, \text{А}$

Сравниваем полученную сумму с общим током $I_0$:

$I_0 = 0.6 \, \text{А}$

Мы видим, что $I_0 = I_1 + I_2$.

Вывод: Сумма сил токов, протекающих через каждый из параллельно соединенных резисторов, равна силе тока в неразветвленной части цепи. Это подтверждает одну из основных закономерностей параллельного соединения проводников: закон сохранения заряда или первое правило Кирхгофа, согласно которому сумма токов, входящих в узел, равна сумме токов, выходящих из него.

Ответ: Сумма токов $I_1$ и $I_2$ равна $I_0$, что подтверждает закон распределения токов в параллельном соединении ($I_0 = I_1 + I_2$).

III. Контрольные вопросы

1. Как соединены потребители электрической энергии в вашей квартире? Почему?

Потребители электрической энергии (электроприборы, лампы) в квартире соединены параллельно. Это делается по нескольким причинам. Во-первых, при параллельном соединении на всех потребителях поддерживается одинаковое (стандартное) напряжение, что позволяет каждому прибору работать в своем номинальном режиме. Во-вторых, выход из строя одного прибора (например, перегорание лампочки) не влияет на работу других приборов, так как они остаются подключенными к источнику напряжения. В случае последовательного соединения, выход из строя одного прибора прервал бы цепь, и все остальные приборы тоже перестали бы работать.

Ответ: Потребители в квартире соединены параллельно, чтобы каждый прибор получал номинальное напряжение, и выход из строя одного прибора не влиял на работу остальных.

2. Чему равно сопротивление участка цепи, содержащего N параллельно соединенных одинаковых резисторов сопротивлением $R_1$ каждый?

При параллельном соединении N одинаковых резисторов, каждый из которых имеет сопротивление $R_1$, общее сопротивление участка цепи $R$ определяется по формуле: $\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_1} + \dots + \frac{1}{R_1}$ (N раз).

Это выражение упрощается до: $\frac{1}{R} = \frac{N}{R_1}$.

Следовательно, общее сопротивление равно: $R = \frac{R_1}{N}$.

Ответ: Сопротивление участка цепи, содержащего N параллельно соединенных одинаковых резисторов сопротивлением $R_1$ каждый, равно $R = \frac{R_1}{N}$.

3. Почему параллельное присоединение к участку цепи дополнительного резистора уменьшает сопротивление участка?

Параллельное присоединение дополнительного резистора к участку цепи уменьшает общее сопротивление участка, потому что это создает дополнительный путь для протекания электрического тока. Чем больше путей для тока, тем легче ему течь через цепь, и, следовательно, тем меньше общее сопротивление. Представьте себе несколько открытых водопроводных кранов – чем больше кранов открыто, тем легче воде проходить, и тем меньше "сопротивление" трубопровода. С точки зрения формулы $\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_n}$, добавление нового слагаемого $\frac{1}{R_{n+1}}$ в правую часть уравнения приводит к увеличению суммы $\frac{1}{R}$, а значит, к уменьшению $R$ (поскольку $R$ обратно пропорционально этой сумме).

Ответ: Параллельное присоединение дополнительного резистора уменьшает общее сопротивление участка, так как создает дополнительный путь для тока, облегчая его прохождение через цепь.

IV. Суперзадание

Объясните, как переносом только одного провода с клеммы на клемму превратить данное параллельное соединение резисторов в последовательное (с. 35). Какую роль в такой измененной цепи играет ключ?

На рисунке показана схема с двумя резисторами $R_1$ и $R_2$, соединенными параллельно. Для превращения этого параллельного соединения в последовательное путем переноса только одного провода, необходимо разорвать одну из параллельных ветвей и соединить ее последовательно с другой. Если изначально резисторы $R_1$ и $R_2$ подключены между точками M и N, а также существует ветвь с источником и амперметром (например, между точкой M и источником, и точкой N и источником через амперметр):Предположим, что один провод отходит от точки M к резистору $R_1$, а другой провод отходит от точки M к резистору $R_2$. Аналогично, от точки N отходят провода к другим концам $R_1$ и $R_2$. Для создания последовательного соединения, нужно отсоединить один из резисторов (например, $R_2$) от точки M (или N) и подключить его к свободному концу резистора $R_1$.Например, если $R_1$ соединен между M и K, а $R_2$ между M и L, причем K и L соединены с N. Тогда для последовательного соединения нужно:1. Отсоединить провод, идущий от точки L к точке N.2. Подключить этот провод (который теперь свободен от конца резистора $R_2$) к точке K (другому концу резистора $R_1$).В этом случае ток пойдет от M через $R_1$ к K, затем через новый провод к L, и далее через $R_2$ к N. Таким образом, резисторы $R_1$ и $R_2$ окажутся включенными последовательно между точками M и N (или другими точками, в зависимости от начального подключения источника).В такой измененной цепи (последовательной) ключ по-прежнему выполняет функцию замыкания/размыкания цепи. При замыкании ключа устанавливается электрический ток через оба последовательно соединенных резистора, а при размыкании ключа ток прекращается. Ключ служит для включения и выключения всей цепи, управляя прохождением тока через последовательно соединенные компоненты.

Ответ: Для превращения параллельного соединения в последовательное необходимо отсоединить один из проводов, который соединяет один из резисторов с общим узлом (например, отсоединить провод от конца $R_2$ от узла M), и затем соединить этот отсоединенный конец $R_2$ с другим концом $R_1$. Ключ в такой измененной (последовательной) цепи выполняет функцию включения/выключения цепи, замыкая или размыкая электрический ток через оба резистора.