Лабораторная работа № 3, страница 161 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

Лабораторная работа № 3. Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ней

Цель: познакомиться с амперметром; научиться собирать электрическую цепь и измерять силу тока в ней.

Оборудование: амперметр лабораторный, источник тока, лампочка на подставке, два резистора с разным сопротивлением, ключ, соединительные провода.

Проверьте себя

1. Что представляет собой электрическая цепь?

2. Каким прибором и в каких единицах в СИ измеряется сила тока?

Ход работы

I. Знакомство с амперметром

Рассмотрите внимательно амперметр и ответьте на вопросы.

1. Что обозначают знаки «+» и «–» возле клемм амперметра?

2. Какова цена деления шкалы амперметра?

3. Какую максимальную силу тока им можно измерять?

II. Сборка цепи и измерение силы тока

1. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 289 и проверьте работу цепи.

2. Измените на противоположное направление тока в цепи (соблюдая полярность клемм амперметра). Запишите, как вы это сделали и как отразилось это на силе тока в цепи и на свечении лампочки.

3. Изобразите в тетради схему собранной цепи и покажите на ней сплошной стрелкой направление тока в цепи, а штриховой стрелкой – направление движения носителей тока.

4. Измерьте и запишите силу тока $I_1$, протекающего между клеммой «–» источника и ключом. Начертите схему цепи при этом измерении.

5. Измерьте и запишите значения силы тока $I_2$ и $I_3$ в участках цепи 2 и 3.

6. Сделайте вывод о значении силы тока в различных участках простой цепи. Рис. 289

7. Замените электролампочку поочередно резисторами с разным сопротивлением. Измерьте и запишите значения силы тока $I'$ и $I''$ в них.

8. Какой вывод о значении силы тока можно сделать из проведенных измерений?

Контрольные вопросы

1. Почему сила тока в различных участках цепи одинакова?

2. Отразится ли на свечении лампочки исключение из цепи амперметра? Почему?

3. Какой заряд прошел через поперечное сечение спирали лампочки за одну минуту ее свечения?

Выводы

Суперзадание

Перенесите провод 2 с клеммы C ключа на клемму B (рис. 289). Освободившуюся клемму ключа соедините дополнительным проводом с клеммой «+» источника. Включив (только с разрешения учителя!) цепь, объясните, как и почему влияет положение ключа на режим работы лампочки и амперметра.

Проверьте себя

1. Что представляет собой электрическая цепь?

Электрическая цепь — это совокупность устройств, соединенных между собой проводниками и образующих замкнутый путь для электрического тока. Как правило, простейшая цепь включает в себя источник тока (например, батарейку или аккумулятор), потребитель электрической энергии (например, лампочку), соединительные провода и выключатель (ключ) для замыкания и размыкания цепи.

Ответ: Электрическая цепь — это замкнутый путь, состоящий из источника тока, потребителя и соединительных проводов, предназначенный для протекания электрического тока.

2. Каким прибором и в каких единицах в СИ измеряется сила тока?

Сила тока измеряется прибором, который называется амперметр. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения силы тока является Ампер (А).

Ответ: Сила тока измеряется амперметром в Амперах (А).

Ход работы

I. Знакомство с амперметром

1. Что обозначают знаки «+» и «–» возле клемм амперметра?

Знаки «+» и «–» на клеммах амперметра указывают на полярность подключения. Клемму «+» следует подключать к проводу, идущему от положительного полюса источника тока, а клемму «–» — к проводу, идущему к отрицательному полюсу источника. Это необходимо для правильного измерения и чтобы не повредить прибор.

Ответ: Знаки «+» и «–» обозначают полярность клемм, которую необходимо соблюдать при включении амперметра в цепь.

2. Какова цена деления шкалы амперметра?

Для определения цены деления шкалы амперметра, изображенного на рисунке, выберем два соседних оцифрованных штриха, например, 0 и 1. Найдем разность значений: $1 \text{ А} - 0 \text{ А} = 1 \text{ А}$. Подсчитаем количество делений между этими штрихами, их 10. Цена деления ($ЦД$) равна отношению разности значений к количеству делений:
$ЦД = \frac{1 \text{ А} - 0 \text{ А}}{10} = 0.1 \text{ А}$.

Ответ: Цена деления шкалы амперметра составляет 0.1 А.

3. Какую максимальную силу тока им можно измерить?

Максимальная сила тока, которую можно измерить данным амперметром, соответствует конечному значению на его шкале.

Ответ: Максимальная измеряемая сила тока — 2 А.

II. Сборка цепи и измерение силы тока

1. Соберите электрическую цепь согласно рисунку 289 и проверьте работу цепи.

Собирается цепь из последовательно соединенных источника тока, амперметра, ключа и лампочки. При замыкании ключа лампочка загорается, а стрелка амперметра отклоняется, что свидетельствует о наличии тока в цепи.

Ответ: Цепь собрана, при замыкании ключа лампочка горит, амперметр показывает наличие тока.

2. Измените на противоположное направление тока в цепи (соблюдая полярность клемм амперметра). Запишите, как вы это сделали и как отразилось это на силе тока в цепи и на свечении лампочки.

Чтобы изменить направление тока, нужно поменять местами провода, подключенные к клеммам источника тока. При этом необходимо также поменять местами провода на клеммах амперметра, чтобы снова соблюсти полярность. Величина силы тока, измеренная амперметром, не изменится. Яркость свечения лампочки также останется прежней, так как она не зависит от направления тока.

Ответ: Для смены направления тока необходимо поменять полярность подключения к источнику тока, одновременно изменив полярность подключения амперметра. Величина силы тока и яркость свечения лампочки при этом не изменятся.

3. Изобразите в тетради схему собранной цепи и покажите на ней сплошной стрелкой направление тока в цепи, а штриховой стрелкой — направление движения носителей тока.

Схема цепи включает условные обозначения источника тока, ключа, лампочки и амперметра, соединенных последовательно. Направление тока (движение положительных зарядов) принято от положительного полюса источника к отрицательному (показывается сплошной стрелкой). Направление движения носителей тока (электронов в металлах) — от отрицательного полюса к положительному (показывается штриховой стрелкой).

Ответ: Начерчена схема последовательной цепи. Направление тока указано сплошной стрелкой от «+» к «–», а направление движения электронов — штриховой стрелкой от «–» к «+».

4, 5. Измерьте и запишите значения силы тока $I_1, I_2, I_3$ в различных участках цепи.

Для измерения силы тока в разных участках цепи амперметр включается в разрыв цепи последовательно в трех точках: 1) между источником и ключом, 2) между ключом и лампочкой, 3) между лампочкой и источником. Судя по показаниям прибора на рисунке (стрелка на 5-м делении), сила тока составляет $I = 5 \cdot 0.1 \text{ А} = 0.5 \text{ А}$. При перемещении амперметра в другие точки цепи его показания не изменятся.
$I_1 = 0.5 \text{ А}$
$I_2 = 0.5 \text{ А}$
$I_3 = 0.5 \text{ А}$

Ответ: $I_1 = I_2 = I_3 = 0.5 \text{ А}$.

6. Сделайте вывод о значении силы тока в различных участках простой цепи.

На основе проведенных измерений можно сделать вывод, что при последовательном соединении сила тока одинакова во всех участках электрической цепи.

Ответ: Сила тока в различных участках последовательной цепи одинакова.

7. Замените электролампочку поочередно резисторами с разным сопротивлением. Измерьте и запишите значения силы тока I' и I'' в них.

При замене лампочки на резистор с сопротивлением $R'$ сила тока в цепи изменится. Согласно закону Ома для полной цепи $I = \frac{\mathcal{E}}{R_{внеш} + r}$. Если сопротивление первого резистора $R' > R_{лампы}$, то сила тока $I'$ уменьшится. При замене на второй резистор с сопротивлением $R''$, если $R'' > R'$, то сила тока $I''$ станет еще меньше. Например, если $I_{лампы} = 0.5 \text{ А}$, то возможные значения для $I'$ и $I''$ могут быть $I' = 0.4 \text{ А}$ и $I'' = 0.2 \text{ А}$.

Ответ: При замене лампы на резисторы с бо́льшим сопротивлением сила тока в цепи уменьшается. Например, $I' = 0.4 \text{ А}$, $I'' = 0.2 \text{ А}$.

8. Какой вывод о значении силы тока можно сделать из проведенных измерений?

Измерения показывают, что сила тока в цепи зависит от сопротивления нагрузки. При неизменном напряжении источника сила тока обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи. Чем больше сопротивление, тем меньше сила тока.

Ответ: Сила тока в цепи обратно пропорциональна ее сопротивлению.

Контрольные вопросы

1. Почему сила тока в различных участках цепи одинакова?

Это следует из закона сохранения электрического заряда. В цепи без разветвлений заряд не может накапливаться или исчезать в каких-либо точках. Поэтому количество заряда, проходящее через любое поперечное сечение проводника за единицу времени, должно быть одним и тем же. А поскольку сила тока и есть скорость протекания заряда ($I = q/t$), она одинакова во всех участках последовательной цепи.

Ответ: Вследствие закона сохранения заряда, количество заряда, проходящее через любое сечение последовательной цепи в единицу времени, одинаково, поэтому и сила тока везде одинакова.

2. Отразится ли на свечении лампочки исключение из цепи амперметра? Почему?

Да, отразится. Любой реальный амперметр обладает некоторым малым внутренним сопротивлением. При его исключении из цепи общее сопротивление цепи уменьшится. Согласно закону Ома ($I = U/R$), при уменьшении общего сопротивления сила тока в цепи возрастет. Увеличение силы тока приведет к тому, что лампочка будет светить немного ярче. Однако, так как сопротивление амперметра очень мало, это изменение может быть незаметным для глаза.

Ответ: Да, лампочка станет светить немного ярче, так как при удалении амперметра общее сопротивление цепи уменьшится, а сила тока возрастет.

3. Какой заряд прошел через поперечное сечение спирали лампочки за одну минуту ее свечения?

Дано:

$I = 0.5 \text{ А}$ (измеренное значение)
$t = 1 \text{ мин}$

Перевод в СИ:

$t = 1 \cdot 60 \text{ с} = 60 \text{ с}$

Найти:

$q - ?$

Решение:

Заряд, прошедший через поперечное сечение проводника, можно найти по формуле: $q = I \cdot t$
Подставим числовые значения: $q = 0.5 \text{ А} \cdot 60 \text{ с} = 30 \text{ Кл}$

Ответ: За одну минуту через спираль лампочки прошел заряд 30 Кл.

Выводы

В ходе выполнения лабораторной работы были достигнуты следующие результаты:

1. Освоены навыки работы с лабораторным амперметром: определение его цены деления, предела измерения и правил включения в цепь.
2. Получен практический опыт сборки простейшей электрической цепи по схеме.
3. Экспериментально подтверждено, что сила тока при последовательном соединении элементов одинакова на всех участках цепи.
4. Установлена зависимость силы тока от сопротивления цепи: с увеличением сопротивления сила тока уменьшается.

Ответ: В результате работы мы научились собирать электрические цепи, измерять силу тока амперметром и экспериментально проверили законы для последовательного соединения.

Суперзадание

При изменении схемы согласно заданию, провод 2 теперь соединяет клемму B ключа с лампочкой, а новая клемма C ключа соединена с «+» источника. Проанализируем работу цепи в зависимости от положения ключа.

• Ключ разомкнут: Рычаг ключа не соединяет клеммы B и C. Ток от «+» источника потечет через амперметр, далее к клемме B, от нее через лампочку к «–» источника. Цепь будет работать: лампочка горит, амперметр показывает рабочий ток (например, 0.5 А). Клемма C и идущий к ней провод не участвуют в работе.
• Ключ замкнут: Рычаг ключа соединяет клеммы B и C. Ток от «+» источника, пройдя через амперметр, достигает клеммы B. Здесь он разветвляется. Одна часть идет через лампочку, а другая, гораздо бо́льшая, пойдет по пути наименьшего сопротивления: через замкнутый ключ на клемму C и оттуда по проводу обратно к «+» источника. Этот второй путь представляет собой короткое замыкание источника тока (через амперметр). Сопротивление этого участка очень мало, поэтому сила тока резко возрастет, многократно превысив предел измерения амперметра. Лампочка при этом гореть не будет (или очень тускло), так как почти весь ток пойдет в обход нее.

Ответ: Положение ключа кардинально меняет режим работы. При разомкнутом ключе цепь работает в штатном режиме. При замыкании ключа происходит короткое замыкание источника тока через амперметр, что приведет к зашкаливанию и вероятной поломке прибора, а лампочка погаснет. Данная схема демонстрирует, как ключ может использоваться для создания короткого замыкания.