Лабораторная работа № 6, страница 165 - гдз по физике 8 класс учебник Исаченкова, Громыко

Лабораторная работа № 6. Изучение параллельного соединения проводников

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

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

Проверьте себя

1. Какое соединение проводников называют параллельным?

2. Какие главные закономерности выполняются при параллельном соединении проводников?

Ход работы

Рис. 292

I. Сборка электрической цепи и измерение ее основных параметров

1. Соберите цепь согласно рисунку 292, не включая вольтметр. Запишите в таблицу показания амперметра $I$. Можно ли утверждать, что ток указанной силы протекает в каждом резисторе?

2. Подключите вольтметр к точкам $M$ и $N$, начертите полную схему в тетради. Напряжение на каком из резисторов измеряет вольтметр?

3. Применяя закон Ома к разветвленному участку $MN$, найдите его сопротивление $R_{MN} = \frac{U_{MN}}{I}$.

II. Проверка закономерностей параллельного соединения

1. Определите по надписям на панельках и запишите в таблицу сопротивления резисторов $R_1$ и $R_2$; по формуле $R = \frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}$ рассчитайте и запишите в таблицу сопротивление разветвленного участка.

2. Сравните рассчитанное значение с сопротивлением участка $R_{MN}$, найденным по результатам измерений. Сделайте вывод.

3. Исключите из цепи вольтметр и амперметр. Подключите амперметр между точками $M$ и $K$; измерьте и запишите в таблицу силу тока $I_1$ в резисторе $R_1$, а затем, включив амперметр между точками $M$ и $L$, измерьте и запишите в таблицу силу тока $I_2$ в резисторе $R_2$.

4. Используя полученные значения $I_1$ и $I_2$ для силы тока, а также значение силы тока $I$ в неразветвленном участке цепи, докажите справедливость второй закономерности параллельного соединения (см. § 25).

Контрольные вопросы

1. Как соединяют (последовательно или параллельно) потребители в квартирной проводке? Почему?

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

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

Выводы

Суперзадание

Как переносом только одного провода с клеммы на клемму превратить данное параллельное соединение резисторов (рис. 292) в последовательное? Какую роль в такой измененной цепи играет ключ?

Проверьте себя

1. Какое соединение проводников называют параллельным?

Параллельным называют такое соединение проводников, при котором начала всех проводников, входящих в данный участок цепи, присоединяются к одной общей точке, а их концы — к другой общей точке. В результате образуется несколько ветвей для прохождения электрического тока.

2. Какие главные закономерности выполняются при параллельном соединении проводников?

При параллельном соединении проводников выполняются следующие закономерности:

• Напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково: $U = U_1 = U_2 = ... = U_n$.
• Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных параллельно соединенных проводниках: $I = I_1 + I_2 + ... + I_n$.
• Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно включенных проводников: $\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... + \frac{1}{R_n}$. Из этого следует, что общее сопротивление участка всегда меньше наименьшего из сопротивлений, входящих в этот участок.

Контрольные вопросы

1. Как соединяют (последовательно или параллельно) потребители в квартирной проводке? Почему?

В квартирной проводке все потребители (лампы, розетки, бытовые приборы) соединяют параллельно.

Это делается по двум основным причинам:

1. Рабочее напряжение. Параллельное соединение гарантирует, что на каждый прибор подается полное напряжение сети (например, 220 В). Это необходимо для их нормальной работы и функционирования с номинальной мощностью. При последовательном соединении напряжение сети разделилось бы между приборами, и они бы не работали должным образом или не работали вовсе.
2. Независимость работы. Параллельная схема позволяет включать и выключать каждый прибор независимо от других. Если бы приборы были соединены последовательно, то выход из строя одного из них (например, перегорание лампочки) привел бы к разрыву всей цепи, и все остальные приборы также перестали бы работать.

Ответ: В квартирной проводке потребители соединяют параллельно, чтобы обеспечить на каждом из них одинаковое номинальное напряжение и возможность их независимой работы.

2. Чему равно сопротивление участка цепи из N одинаковых резисторов сопротивлением R₁ каждый, соединенных параллельно?

Дано:

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

Найти:

Общее сопротивление $R_{общ}$.

Решение:

При параллельном соединении общее сопротивление $R_{общ}$ находится по формуле, связывающей обратные величины сопротивлений:
$\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + ... + \frac{1}{R_N}$
Поскольку все $N$ резисторов одинаковы и их сопротивление равно $R_1$, формула принимает вид:
$\frac{1}{R_{общ}} = \underbrace{\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_1} + ... + \frac{1}{R_1}}_{N \text{ раз}}$
Суммируя одинаковые слагаемые, получаем:
$\frac{1}{R_{общ}} = N \cdot \frac{1}{R_1} = \frac{N}{R_1}$
Чтобы найти $R_{общ}$, выразим его из этого уравнения:
$R_{общ} = \frac{R_1}{N}$

Ответ: Сопротивление участка цепи равно $R_{общ} = \frac{R_1}{N}$.

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

Параллельное присоединение дополнительного резистора уменьшает общее сопротивление участка, потому что оно создает дополнительный путь для прохождения электрического тока. Общий ток, входящий в участок, теперь распределяется по большему количеству ветвей. Увеличение числа путей для тока эквивалентно расширению "проходного сечения" для зарядов, что снижает общее противодействие их движению, то есть сопротивление.

Математически это объясняется формулой для общего сопротивления. Если к участку с сопротивлением $R_{участка}$ параллельно подключить резистор с сопротивлением $R_{доп}$, то новое общее сопротивление $R_{общ}$ будет определяться как:
$\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_{участка}} + \frac{1}{R_{доп}}$
Поскольку $\frac{1}{R_{доп}}$ — положительная величина, то $\frac{1}{R_{общ}} > \frac{1}{R_{участка}}$. Если дробь слева больше дроби справа, то ее знаменатель ($R_{общ}$) должен быть меньше знаменателя справа ($R_{участка}$). Таким образом, $R_{общ} < R_{участка}$.

Ответ: Присоединение дополнительного резистора параллельно создает еще одну ветвь для тока, увеличивая общую проводимость участка и, следовательно, уменьшая его общее сопротивление.

Выводы

По результатам выполнения лабораторной работы можно сделать следующие выводы:

1. В ходе эксперимента было проверено и подтверждено, что напряжение на параллельно соединенных резисторах одинаково.
2. Экспериментально установлено, что сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в каждой из параллельных ветвей ($I = I_1 + I_2$), что согласуется с теоретическими закономерностями для параллельного соединения и законом сохранения заряда.
3. Общее сопротивление участка с параллельно соединенными резисторами, рассчитанное по закону Ома на основе измерений ($R_{MN} = U_{MN} / I$), в пределах погрешности измерений совпало со значением, вычисленным по теоретической формуле ($R = \frac{R_1 \cdot R_2}{R_1 + R_2}$).
4. Было подтверждено, что общее сопротивление при параллельном соединении меньше сопротивления каждого из резисторов, входящих в соединение.

Суперзадание

Как переносом только одного провода с клеммы на клемму превратить данное параллельное соединение резисторов (рис. 292) в последовательное? Какую роль в такой измененной цепи играет ключ?

В исходной схеме (рис. 292) оба резистора подключены к общим точкам N и M, образуя параллельное соединение. Ток из точки N разветвляется и проходит через оба резистора, после чего сходится в точке M.

Чтобы превратить это соединение в последовательное, необходимо сделать так, чтобы ток, пройдя через первый резистор, сразу же попадал во второй. Для этого нужно выполнить следующее действие:

• Взять провод, идущий от общей точки N ко входу второго резистора (к клемме L на схеме), и отсоединить его от точки N.
• Другой конец этого провода остается подключенным к клемме L. Отсоединенный от N конец нужно подключить к выходной клемме первого резистора (к клемме K).

В результате такой перекоммутации образуется новая цепь: ток от источника через ключ пойдет в точку N, затем пройдет через первый резистор (от N до K), из точки K по переставленному проводу пойдет в точку L, пройдет через второй резистор (от L до M) и затем из точки M вернется к источнику. Резисторы окажутся соединенными последовательно.

Роль ключа в измененной цепи не изменится. Он по-прежнему будет находиться в неразветвленной части цепи и выполнять функцию главного выключателя: при замыкании ключа в цепи течет ток, при размыкании — цепь разрывается, и ток прекращается.

Ответ: Нужно отсоединить провод от клеммы N, идущий ко второму резистору, и подключить его к клемме K (выход первого резистора). Ключ в новой схеме будет так же, как и в старой, замыкать и размыкать всю цепь целиком.