Номер 4, страница 25 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Шабусов, Дубина

Лабораторная работа № 4

Измерение электрического напряжения и сопротивления проводника (урок 33)

Немного теории

Закон Ома для участка цепи. Сила тока $\text{I}$ в однородном участке цепи прямо пропорциональна напряжению $\text{U}$ на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению $\text{R}$:

$$I = \frac{U}{R}$$

Знакомство с вольтметром

Вольтметр — прибор для измерения напряжения в цепи. Включается в цепь параллельно и, чтобы электрический ток шел через участок цепи, а не через вольтметр, должен обладать большим сопротивлением.

Вольтметр имеет две клеммы (обозначены символами «+» и «–»), которыми его подключают к участку электрической цепи.

Обратите внимание. При включении вольтметра в цепь необходимо соблюдать полярность: к клемме «+» подключают провод, идущий от положительной клеммы источника тока (не амперметра!), а к клемме «–» – провод от отрицательной клеммы источника (рис. 1).

Вольтметры, которые обычно применяют в школе, изображены на рис. 2 и 3.

Вольтметр на рис. 2 имеет верхний предел измерения, равный $U_{max} = 6,0 \text{ В}$.

Рис. 2

Рис. 3

Цена деления данного вольтметра:

$$C_V = \frac{1 \text{ В}}{5 \text{ дел.}} = 0,2 \frac{\text{В}}{\text{дел.}}$$

Таким образом, минимальное значение напряжения, измеренное данным прибором: $U_{min} = 0,2 \text{ В}$.

На рис. 3 изображен вольтметр, имеющий две шкалы: верхнюю и нижнюю.

Для нижней шкалы: верхний предел измерения $U_{max} = 6,0 \text{ В}$; цена деления $C_V = 0,2 \frac{\text{В}}{\text{дел.}}$.

Для верхней шкалы: верхний предел измерения $U_{max} = 12 \text{ В}$; цена деления $C_V = 0,4 \frac{\text{В}}{\text{дел.}}$.

Не забудьте уточнить у учителя, какой шкалой вольтметра вы будете пользоваться.

Как измерить сопротивление

Зная силу тока $\text{I}$ в резисторе и напряжение $\text{U}$ на нем, по закону Ома мы можем вычислить его сопротивление:

$$R = \frac{U}{I}$$

Например, $U = 3,0 \text{ В}$, $I = 0,96 \text{ А}$. Тогда

$$R = \frac{3,0 \text{ В}}{0,96 \text{ А}} = 3,1 \text{ Ом.}$$

Так как сопротивление резистора — величина постоянная, оно указано на самом резисторе (это сопротивление называется паспортным). Например, $R_\text{п} = 3,0 \text{ Ом}$. В данном случае можно сделать вывод, что $R \approx R_\text{п}$. Приблизительное равенство можно объяснить погрешностью приборов, а также наличием дополнительного сопротивления в местах контакта и в соединительных проводах.

Секреты лампочки накаливания

Рассмотрим несколько ситуаций, в том числе внештатных, которые могут возникнуть при измерении сопротивления лампочки накаливания.

Ситуация № 1. Предположим, после замены резистора на лампочку получены следующие результаты: $U_\text{л} = 3,0 \text{ В}$, $I_\text{л} = 0,32 \text{ А}$. Тогда

$$R_\text{л} = \frac{3,0 \text{ В}}{0,32 \text{ А}} = 9,4 \text{ Ом.}$$

Но на цоколе лампочки указаны значения $U_\text{н} = 3,5 \text{ В}$, $I_\text{н} = 0,25 \text{ А}$. Данные значения называются номинальными — это значения напряжения и силы тока, при которых рекомендуется использовать лампочку. Если подключить ее к большему напряжению, то вольфрамовая нить накала лампочки может перегореть. Но в случае номинальных значений мы получаем

$$R_\text{н} = \frac{3,5 \text{ В}}{0,25 \text{ А}} = 14 \text{ Ом.}$$

Данное расхождение слишком велико, чтобы списать его на погрешность приборов. Расхождение объясняется тем, что при работе спираль лампочки сильно нагревается, что значительно увеличивает ее сопротивление. Поэтому можно сделать вывод: определенное в ходе эксперимента ($R_\text{л}$) и номинальное ($R_\text{н}$) сопротивления спирали различаются, так как напряжение на лампочке было меньше номинального, поэтому она не нагрелась до рабочей температуры и ее сопротивление было меньше.

Ситуация № 2. Если напряжение, подаваемое на лампочку, незначительно отличается от номинального, то расхождение экспериментального $R_\text{л}$ и номинального $R_\text{н}$ сопротивлений будет незначительным.

Ситуация № 3. Иногда в работе напряжение, подаваемое источником, может превышать номинальное. Например, $U_\text{л} = 4,2 \text{ В}$, $I_\text{л} = 0,24 \text{ А}$. Тогда

$$R_\text{л} = \frac{4,2 \text{ В}}{0,24 \text{ А}} = 18 \text{ Ом.}$$

Это значит, что рассчитанное сопротивление $R_\text{л}$ превышает номинальное. Объясняется это тем, что в данном случае температура лампочки выше рабочей, и, хотя нить накала не перегорела, ее сопротивление увеличилось. Кроме того, если лампочку часто используют в таком режиме, вольфрам постепенно испаряется, и нить становится тоньше, что также увеличивает ее сопротивление.

Полученные значения занесите в таблицу. Например:

Пишем выводы

В работе требовалось определить характеристики вольтметра, измерить напряжение на резисторе и лампочке, а также рассчитать их сопротивление. При этом желательно указать результаты, которые были получены в ходе работы.

Например: «В ходе работы мы познакомились с вольтметром и определили его характеристики ($U_{max} = 6,0 \text{ В}$, $C_V = 0,2 \frac{\text{В}}{\text{дел.}}$). Собрали электрическую цепь, измерили силу тока в цепи ($I = 0,96 \text{ А}$) и напряжение на резисторе ($U = 0,30 \text{ В}$), рассчитали его сопротивление ($R = 3,1 \text{ Ом}$). Полученный результат незначительно отличается от паспортного ($R_\text{п} = 3,0 \text{ Ом}$). Также мы рассчитали сопротивление лампочки накаливания ($R_\text{л} = 9,4 \text{ Ом}$), которое отличается от номинального, так как напряжение на лампочке меньше номинального и температура нити накала меньше рабочей».

Как лучше измерять?

В ходе работы вы должны собрать цепь, схема которой представлена на рис. 4. Однако данная схема имеет недостаток: через резистор проходит не весь ток, так как его часть идет через вольтметр.

Чтобы измерить силу тока непосредственно в резисторе, необходимо собрать цепь иначе (рис. 5). Но и в этом случае есть недостаток: вольтметр измеряет сумму напряжений на резисторе и амперметре.

Рис. 4

Какая схема предпочтительнее для определения сопротивления резистора?

Это зависит от характеристик используемых приборов. Мы знаем, что сопротивление амперметра очень маленькое, а вольтметра — очень большое. Поэтому, скорее всего, вы не заметите разницы в показаниях приборов в первом и втором случаях. Но, если амперметр сильнее влияет на результат, правильнее использовать схему с рис. 4, если вольтметр — схему с рис. 5.

Рис. 5