Лабораторная работа № 4, страница 162 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

Лабораторная работа № 4. Измерение электрического напряжения и сопротивления проводника

Цель: познакомиться с вольтметром и способом измерения электрического напряжения; научиться измерять сопротивление проводника.

Оборудование: источник тока, лабораторные амперметр и вольтметр, лампочка на подставке, резистор, ключ, соединительные провода.

Проверьте себя

1. Как включается в цепь вольтметр и что он измеряет?

2. Какую зависимость выражает закон Ома?

Ход работы

I. Знакомство с вольтметром

Рассмотрев вольтметр, ответьте на вопросы.

1. Какова цена деления шкалы данного вольтметра?

2. Какое максимальное напряжение можно измерять данным вольтметром?

3. Каким должно быть сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением амперметра? Почему они так сильно различаются?

II. Измерение напряжения

1. Соберите цепь из источника тока, резистора, амперметра и ключа (рис. 290, а). Измерьте силу тока в резисторе.

2. Разомкнув цепь, добавьте в нее вольтметр (параллельно резистору). Замкните ключ и измерьте напряжение на резисторе. Начертите схему данной цепи.

3. Ответьте на вопрос: как отразилось добавление в цепь вольтметра на показаниях амперметра? Почему?

III. Измерение сопротивления проводника

1. Используя результаты предыдущего опыта, определите сопротивление резистора по формуле $R = \frac{U}{I}$.

2. Найдите паспортное значение сопротивления резистора и сравните его с полученным в опыте. Сделайте вывод.

3. Замените в цепи резистор лампочкой на подставке и определите описанным способом сопротивление ее спирали.

4. Найдите на цоколе лампочки ее номинальное напряжение $U_{\text{н}}$ и силу тока $I_{\text{н}}$ и определите ее сопротивление в номинальном режиме по формуле $R_{\text{н}} = \frac{U_{\text{н}}}{I_{\text{н}}}$.

5. Сравните полученные в п. 3, 4 значения сопротивления лампочки и сделайте вывод.

Выводы

Суперзадание

Измерьте сопротивление резистора, применив измененную схему (рис. 290, б). Сравните результат с результатом, полученным в п. 1. Дайте оценку применяемым методам (достоинства, недостатки).

Рис. 290

Проверьте себя

1. Как включается в цепь вольтметр и что он измеряет?

Вольтметр предназначен для измерения электрического напряжения (разности потенциалов). Он всегда подключается в цепь параллельно тому элементу или участку цепи, на котором необходимо измерить напряжение. Клеммы вольтметра присоединяются к точкам, между которыми измеряется напряжение.

Ответ: Вольтметр включается параллельно участку цепи и измеряет напряжение на этом участке.

2. Какую зависимость выражает закон Ома?

Закон Ома для участка цепи устанавливает связь между силой тока $I$ на этом участке, напряжением $U$ на его концах и сопротивлением $R$ этого участка. Закон гласит, что сила тока прямо пропорциональна напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению.

Математически это выражается формулой: $I = \frac{U}{R}$.

Ответ: Закон Ома выражает зависимость силы тока от напряжения и сопротивления участка цепи ($I = U/R$).

Ход работы

I. Знакомство с вольтметром

(Поскольку реальный прибор отсутствует, приведем расчет для типичного школьного вольтметра со шкалой до 6 В)

1. Какова цена деления шкалы данного вольтметра?

Рассмотрим шкалу вольтметра. Предположим, что между двумя оцифрованными делениями, например, 2 В и 4 В, находится 10 более мелких делений. Тогда разница напряжений составляет $4 \text{ В} - 2 \text{ В} = 2 \text{ В}$. Цена одного деления (ц.д.) будет:
ц.д. = $\frac{2 \text{ В}}{10 \text{ дел.}} = 0.2 \frac{\text{В}}{\text{дел.}}$

Ответ: Цена деления вольтметра составляет 0.2 В/дел. (значение может отличаться в зависимости от конкретного прибора).

2. Какое максимальное напряжение можно измерять данным вольтметром?

Максимальное напряжение, которое можно измерить прибором, соответствует конечному значению его шкалы (пределу измерения). Для рассматриваемого вольтметра это 6 В.

Ответ: Максимальное измеряемое напряжение — 6 В.

3. Каким должно быть сопротивление вольтметра по сравнению с сопротивлением амперметра? Почему они так сильно различаются?

Сопротивление вольтметра должно быть очень большим, а сопротивление амперметра — очень малым.

Причина заключается в способе их подключения и назначении. Вольтметр подключается параллельно измеряемому участку. Чтобы его подключение минимально влияло на цепь (т.е. чтобы через сам вольтметр шел очень слабый ток, не изменяя существенно ток в основной цепи), его внутреннее сопротивление должно быть максимально возможным.

Амперметр, наоборот, включается в цепь последовательно, "в разрыв". Он должен измерять ток, протекающий в цепи, не создавая при этом значительного дополнительного сопротивления. Если бы его сопротивление было большим, он бы существенно уменьшил общий ток в цепи и исказил результат измерения. Поэтому его сопротивление делают как можно меньше.

Ответ: Сопротивление вольтметра должно быть очень большим, а амперметра — очень малым, чтобы минимизировать их влияние на измеряемую электрическую цепь.

II. Измерение напряжения

(Пункты 1 и 2 являются практическими действиями. Приведем гипотетические результаты измерений и схему)

1. Допустим, после сборки цепи без вольтметра (источник тока, ключ, резистор, амперметр) и замыкания ключа амперметр показал силу тока $I_1 \approx 0.4$ А.

2. После добавления в цепь вольтметра параллельно резистору (схема показана на рис. 290, б) были получены следующие показания: напряжение на резисторе $U = 4.0$ В, сила тока в цепи $I = 0.4$ А.

Рис. 1. Схема электрической цепи для измерения сопротивления (соответствует рис. 290, б в задании)

3. Ответьте на вопрос: как отразилось добавление в цепь вольтметра на показаниях амперметра? Почему?

Теоретически, при подключении вольтметра параллельно резистору создается дополнительная ветвь для тока. Общее сопротивление участка "резистор-вольтметр" становится чуть меньше, чем сопротивление одного резистора. Следовательно, общее сопротивление всей цепи также немного уменьшается, а общий ток, измеряемый амперметром, должен незначительно возрасти.

Однако, поскольку внутреннее сопротивление вольтметра очень велико (килоомы или мегаомы) по сравнению с сопротивлением резистора (омы), ток через вольтметр пренебрежимо мал. Поэтому на практике изменение показаний школьного амперметра, скорее всего, будет незаметно.

Ответ: Добавление вольтметра практически не изменило показаний амперметра, так как сопротивление вольтметра очень велико, и ток через него пренебрежимо мал.

III. Измерение сопротивления проводника

1. Используя результаты предыдущего опыта, определите сопротивление резистора по формуле $R = \frac{U}{I}$.

Дано:

$U = 4.0 \text{ В}$

$I = 0.4 \text{ А}$

Найти:

$R$

Решение:

Сопротивление резистора находим по закону Ома для участка цепи:

$R = \frac{U}{I} = \frac{4.0 \text{ В}}{0.4 \text{ А}} = 10 \text{ Ом}$

Ответ: $R = 10 \text{ Ом}$.

2. Найдите паспортное значение сопротивления резистора и сравните его с полученным в опыте. Сделайте вывод.

Предположим, что на резисторе указано его паспортное значение: $R_{пасп} = 10 \text{ Ом} \pm 5\%$.
Сравнение: полученное в опыте значение $R = 10 \text{ Ом}$ совпадает с паспортным значением $R_{пасп} = 10 \text{ Ом}$.
Вывод: Экспериментальное значение сопротивления резистора совпадает с его паспортным значением, что подтверждает корректность проведенных измерений и применимость закона Ома.

Ответ: Измеренное значение сопротивления (10 Ом) совпадает с паспортным (10 Ом).

3. Замените в цепи резистор лампочкой на подставке и определите описанным способом сопротивление ее спирали.

(Приведем гипотетические результаты измерений для лампочки)
Допустим, при подключении лампочки приборы показали: напряжение $U_л = 3.5$ В, сила тока $I_л = 0.35$ А.
Сопротивление спирали лампочки в данном режиме:
$R_л = \frac{U_л}{I_л} = \frac{3.5 \text{ В}}{0.35 \text{ А}} = 10 \text{ Ом}$.

Ответ: Сопротивление спирали лампочки в данном режиме составило 10 Ом.

4. Найдите на цоколе лампочки ее номинальное напряжение $U_н$ и силу тока $I_н$ и определите ее сопротивление в номинальном режиме по формуле $R_н = \frac{U_н}{I_н}$.

Предположим, на цоколе лампочки указаны ее номинальные параметры: "4.5 V, 0.5 A".

Дано:

$U_н = 4.5 \text{ В}$

$I_н = 0.5 \text{ А}$

Найти:

$R_н$

Решение:

Сопротивление спирали лампочки в номинальном (рабочем) режиме:

$R_н = \frac{U_н}{I_н} = \frac{4.5 \text{ В}}{0.5 \text{ А}} = 9 \text{ Ом}$

Ответ: $R_н = 9 \text{ Ом}$.

5. Сравните полученные в п. 3, 4 значения сопротивления лампочки и сделайте вывод.

Сравнение: измеренное сопротивление $R_л = 10 \text{ Ом}$ (из п. 3) и рассчитанное номинальное сопротивление $R_н = 9 \text{ Ом}$ (из п. 4) близки, но не совпадают. (Примечание: в реальном эксперименте сопротивление в неноминальном режиме при меньшем токе было бы меньше, так как нить холоднее. Мы используем гипотетические цифры для иллюстрации процесса. Главный вывод остается верным.)

Вывод: Сопротивление нити накала лампочки не является постоянной величиной. Оно зависит от температуры нити. При увеличении напряжения и силы тока нить накаляется сильнее, ее температура растет, и сопротивление увеличивается. Поэтому сопротивление, измеренное при параметрах, отличных от номинальных, может отличаться от сопротивления в рабочем режиме.

Ответ: Значения сопротивления, полученные в разных режимах, отличаются, так как сопротивление нити накала зависит от ее температуры.

Выводы

В ходе лабораторной работы мы ознакомились с правилами использования вольтметра и амперметра, научились собирать электрические цепи для измерения напряжения и силы тока. Мы применили закон Ома для косвенного измерения электрического сопротивления различных проводников: резистора и лампы накаливания.

Было установлено, что сопротивление резистора является практически постоянной величиной, в то время как сопротивление нити накала лампочки существенно зависит от ее температуры, увеличиваясь при нагревании.

Ответ: В результате работы были освоены методы измерения напряжения и сопротивления, а также была продемонстрирована зависимость сопротивления проводника (нити накала) от температуры.

Суперзадание

Необходимо сравнить две схемы измерения сопротивления:

- Схема А (рис. 290, б, основная в работе): Вольтметр подключен параллельно резистору, а амперметр измеряет суммарный ток через резистор и вольтметр.

- Схема Б (измененная): Вольтметр подключен параллельно последовательно соединенным резистору и амперметру.

Анализ погрешностей:

1. В схеме А амперметр измеряет ток $I_А = I_R + I_V$, где $I_R$ - ток через резистор, а $I_V$ - ток через вольтметр. Вольтметр измеряет напряжение на резисторе $U_V = U_R$. Рассчитанное сопротивление $R_{измА} = \frac{U_V}{I_A} = \frac{U_R}{I_R + I_V}$. Так как знаменатель больше, чем истинный ток $I_R$, то измеренное значение будет меньше истинного ($R_{измА} < R$). Этот метод точен, если сопротивление вольтметра $R_V$ намного больше измеряемого сопротивления $R$, тогда ток $I_V$ пренебрежимо мал.

2. В схеме Б амперметр измеряет истинный ток через резистор $I_А = I_R$. Вольтметр измеряет суммарное падение напряжения на резисторе и амперметре: $U_V = U_R + U_A$. Рассчитанное сопротивление $R_{измБ} = \frac{U_V}{I_A} = \frac{U_R + U_A}{I_R} = R + R_A$, где $R_A$ - сопротивление амперметра. Измеренное значение будет больше истинного ($R_{измБ} > R$). Этот метод точен, если сопротивление амперметра $R_A$ намного меньше измеряемого сопротивления $R$.

Сравнение с результатом п. 1:

В п. 1 мы получили $R \approx 10 \text{ Ом}$. Измерение по схеме Б должно дать результат, немного больший 10 Ом (например, 10.1 или 10.2 Ом, в зависимости от сопротивления амперметра).

Оценка методов:

- Схема А ("метод вольтметра-амперметра" с вольтметром у элемента) предпочтительна для измерения больших сопротивлений (когда $R \gg R_A$).

- Схема Б ("метод вольтметра-амперметра" с амперметром у элемента) предпочтительна для измерения малых сопротивлений (когда $R \ll R_V$).

Для нашего случая ($R=10 \text{ Ом}$) и типичных школьных приборов ($R_A \approx 0.1 \text{ Ом}$, $R_V > 1000 \text{ Ом}$) обе схемы дадут достаточно точный результат, но схема А является более точной, так как относительная погрешность, вносимая вольтметром, будет меньше.

Ответ: Результат, полученный по схеме Б, будет немного больше результата из п. 1. Схема А (использованная в основной части работы) является более точной для измерения сопротивлений порядка 10 Ом, в то время как схема Б более подходит для измерения очень малых сопротивлений.