Лабораторная работа № 5, страница 164 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

Лабораторная работа № 5. Изучение последовательного соединения проводников

Цель: научиться собирать цепь с последовательным соединением проводников и проводить в ней измерения; опытным путем проверить закономерности такой цепи.

Оборудование: источник тока, два резистора разного сопротивления, лабораторные амперметр и вольтметр, ключ, соединительные провода.

Проверьте себя

1. Какое соединение проводников называют последовательным?

2. Какие главные закономерности выполняются при последовательном соединении проводников?

Ход работы

1. Не используя вольтметр, соберите цепь, изображенную на рисунке 291, а.

2. Измерьте силу тока в цепи и запишите в таблицу. Какой силы ток протекает в каждом из резисторов? Какова сила тока, текущего через источник?

3. Измерьте поочередно напряжение $U_1$ на первом резисторе, напряжение $U_2$ на втором резисторе и напряжение $U$ на участке из двух резисторов, подключая лабораторный вольтметр так, как показано на схеме штриховыми линиями (рис. 291, б); запишите результаты в таблицу.

4. Используя полученные результаты, проверьте справедливость второй закономерности последовательного соединения (см. § 24).

5. Примените закон Ома к участку из двух проводников. Найдите сопротивление этого участка $R = \frac{U}{I}$ и запишите в таблицу.

6. Сравните найденное сопротивление с суммой сопротивлений $R_1$ и $R_2$ (указаны на панельках) и сделайте вывод.

Рис. 291

Контрольные вопросы

1. Почему последовательное соединение потребителей редко используют в бытовых электрических цепях?

2. Чему равно сопротивление участка цепи, состоящего из $N$ одинаковых резисторов сопротивлением $R_1$ каждый, соединенных последовательно?

Выводы

Суперзадание

Рассматривая амперметр как третий проводник, соединенный последовательно с двумя резисторами, измерьте напряжение на нем. Изобразите в тетради схему цепи, запишите результаты измерения и объясните их.

Проверьте себя

1. Последовательным соединением называют такое соединение проводников, при котором они включаются в цепь друг за другом без разветвлений. Конец одного проводника соединяется с началом следующего, и так далее. При таком соединении для электрического тока существует только один путь.

2. При последовательном соединении проводников выполняются следующие основные закономерности:

• Сила тока во всех участках цепи одинакова: $I = I_1 = I_2 = \dots = I_n$
• Полное напряжение в цепи равно сумме напряжений на отдельных участках: $U = U_1 + U_2 + \dots + U_n$
• Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников: $R = R_1 + R_2 + \dots + R_n$

Ответ: 1. Последовательное соединение — это соединение, при котором проводники подключаются друг за другом, образуя единый неразветвленный контур. 2. Основные закономерности: сила тока постоянна ($I = const$), общее напряжение — это сумма напряжений на участках ($U = \sum U_i$), общее сопротивление — это сумма сопротивлений на участках ($R = \sum R_i$).

Ход работы

В ходе лабораторной работы проводится сборка электрической цепи, состоящей из источника тока, ключа, амперметра и двух резисторов, соединенных последовательно. Затем производятся измерения силы тока и напряжений для проверки законов последовательного соединения.

Результаты измерений и вычислений заносятся в таблицу. Для примера, предположим, что в работе использовались резисторы с сопротивлениями $R_1 = 2 \text{ Ом}$ и $R_2 = 3 \text{ Ом}$, а источник тока создавал в цепи ток $I = 0.5 \text{ А}$.

1. Измерение силы тока. Амперметр, включенный в любую точку цепи, покажет одинаковое значение. При последовательном соединении сила тока, протекающего через каждый резистор и через источник, одинакова.
$I = I_1 = I_2 = 0.5 \text{ А}$.

2. Измерение напряжений. Вольтметром поочередно измеряются напряжения:

• На первом резисторе: $U_1 = I \cdot R_1 = 0.5 \text{ А} \cdot 2 \text{ Ом} = 1 \text{ В}$.
• На втором резисторе: $U_2 = I \cdot R_2 = 0.5 \text{ А} \cdot 3 \text{ Ом} = 1.5 \text{ В}$.
• На всем участке с двумя резисторами: $U = U_1 + U_2 = 1 \text{ В} + 1.5 \text{ В} = 2.5 \text{ В}$.

3. Проверка закономерностей и расчет сопротивлений.

• Проверяем, что $U = U_1 + U_2$. В нашем примере $2.5 \text{ В} = 1 \text{ В} + 1.5 \text{ В}$, равенство выполняется.
• Общее сопротивление участка, найденное по закону Ома: $R = \frac{U}{I} = \frac{2.5 \text{ В}}{0.5 \text{ А}} = 5 \text{ Ом}$.
• Сумма сопротивлений резисторов: $R_1 + R_2 = 2 \text{ Ом} + 3 \text{ Ом} = 5 \text{ Ом}$.
• Сравниваем два значения: $R = R_1 + R_2$. В нашем примере $5 \text{ Ом} = 5 \text{ Ом}$, равенство выполняется.

Пример заполненной таблицы на основе этих гипотетических данных:

Ответ: Эксперимент подтверждает, что при последовательном соединении сила тока одинакова во всех элементах цепи, общее напряжение равно сумме напряжений на отдельных резисторах, а общее сопротивление равно сумме их сопротивлений. Расчетные и измеренные значения (с учетом погрешностей) должны совпадать.

Контрольные вопросы

1. Последовательное соединение потребителей редко используют в бытовых электрических цепях по нескольким причинам:

• Ненадежность: Если один из элементов цепи (например, лампочка) перегорает, цепь разрывается, и все остальные элементы перестают работать. Это хорошо видно на примере старых елочных гирлянд.
• Несоответствие напряжений: Бытовые приборы рассчитаны на стандартное напряжение сети (например, 220 В). При последовательном соединении напряжение сети делится между всеми приборами пропорционально их сопротивлениям. В результате на каждый прибор придется напряжение, меньшее номинального, и они не смогут работать в штатном режиме или не включатся вовсе.
• Взаимозависимость приборов: Подключение или отключение одного прибора изменит общее сопротивление цепи, что приведет к изменению силы тока и перераспределению напряжений на всех остальных приборах. Это делает эксплуатацию такой цепи крайне неудобной.

В быту применяется параллельное соединение, которое лишено этих недостатков.

Ответ: Последовательное соединение в быту непрактично, так как выход из строя одного прибора отключает все остальные, а напряжение на каждом приборе зависит от количества и характеристик других подключенных устройств, что не позволяет им нормально функционировать.

2. Дано:

Количество одинаковых резисторов: $N$
Сопротивление каждого резистора: $R_1$

Найти:

Общее сопротивление участка цепи: $R_{общ}$

Решение:

При последовательном соединении проводников их общее сопротивление равно сумме сопротивлений каждого проводника: $R_{общ} = R_a + R_b + \dots$ В нашем случае все $N$ резисторов имеют одинаковое сопротивление $R_1$. Следовательно, общее сопротивление будет суммой сопротивлений $N$ одинаковых резисторов: $R_{общ} = \underbrace{R_1 + R_1 + \dots + R_1}_{N \text{ слагаемых}}$ Сложение $N$ одинаковых слагаемых эквивалентно умножению одного слагаемого на их количество: $R_{общ} = N \cdot R_1$

Ответ: $R_{общ} = N \cdot R_1$.

Выводы

В ходе выполнения лабораторной работы были экспериментально проверены и подтверждены основные закономерности последовательного соединения проводников. Было установлено, что:

1. Сила тока во всех элементах цепи, соединенных последовательно, одинакова ($I = I_1 = I_2$).
2. Полное напряжение на участке цепи, состоящем из последовательно соединенных проводников, равно сумме напряжений на каждом из них ($U = U_1 + U_2$).
3. Общее сопротивление цепи, вычисленное по закону Ома для участка цепи ($R = U/I$), в пределах погрешности измерений совпадает с суммой сопротивлений отдельных проводников ($R \approx R_1 + R_2$).

Ответ: Лабораторная работа подтвердила справедливость законов последовательного соединения для силы тока, напряжения и сопротивления.

Суперзадание

Рассматривая амперметр как третий проводник, соединенный последовательно с двумя резисторами, можно измерить падение напряжения на нем.

Схема цепи:

Схема будет аналогична исходной (рис. 291, б), но с добавлением вольтметра, подключенного параллельно амперметру для измерения напряжения $U_A$ на нем.

Объяснение и результаты:

Любой реальный амперметр обладает некоторым малым внутренним сопротивлением $R_A$. Когда через него протекает ток $I$, согласно закону Ома, на нем возникает падение напряжения: $U_A = I \cdot R_A$.

Цель конструкции амперметра — сделать его внутреннее сопротивление как можно меньше, чтобы его включение в цепь минимально влияло на измеряемые параметры (общий ток и сопротивление). Обычно $R_A$ составляет сотые или десятые доли Ома.

Примерный расчет:

Используем данные из примера для "Хода работы": $I = 0.5 \text{ А}$. Допустим, внутреннее сопротивление лабораторного амперметра $R_A = 0.1 \text{ Ом}$. Тогда напряжение, которое покажет вольтметр, подключенный к клеммам амперметра, будет: $U_A = 0.5 \text{ А} \cdot 0.1 \text{ Ом} = 0.05 \text{ В}$.

Этот результат показывает, что падение напряжения на амперметре очень мало по сравнению с падением напряжения на резисторах ($U_1 = 1 \text{ В}$, $U_2 = 1.5 \text{ В}$), поэтому в большинстве расчетов им можно пренебречь. Однако это измерение демонстрирует, что измерительные приборы не являются идеальными и вносят свои изменения в работу электрической цепи.

Ответ: Амперметр, как и любой проводник, имеет сопротивление. При протекании через него тока возникает небольшое падение напряжения, которое можно измерить вольтметром. Это напряжение равно $U_A = I \cdot R_A$ и обычно очень мало, так как внутреннее сопротивление амперметра $R_A$ мало.