Номер 3, страница 20 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Шабусов, Дубина

Лабораторная работа № 3

Сборка электрической цепи и измерение силы тока в ней (урок 29)

Немного теории

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц.

Обратите внимание. За направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц, однако в металлах основными носителями тока являются электроны, которые движутся в противоположную сторону.

Сила тока — скалярная физическая величина, которая обозначается буквой $\text{I}$ и численно равна электрическому заряду $\text{q}$, прошедшему через поперечное сечение проводника за единицу времени $\text{t}$:

$$I = \frac{q}{t}$$

Данная формула позволяет посчитать значение электрического заряда: $q = It$.

Единица силы тока в СИ — 1 ампер (1 А).

Электрическая цепь — совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока. Обязательными элементами электрической цепи являются источник тока, нагрузка, ключ и соединительные провода.

Знакомство с амперметром

Амперметр — прибор для измерения силы тока в цепи. Включается в цепь последовательно и, чтобы не влиять на другие элементы, должен обладать очень маленьким электрическим сопротивлением.

Амперметр имеет две клеммы (обозначены символами «+» и «–»), которыми он включается в электрическую цепь.

Обратите внимание. При включении амперметра в цепь необходимо соблюдать полярность: к клемме «+» подключается провод, идущий от положительной клеммы источника тока, к клемме «–» — провод от отрицательной клеммы источника.

Амперметры, которые обычно используются в школе, изображены на рис. 1 и 2.

Рис. 1

Рис. 2

Амперметр на рис. 1 имеет верхний предел измерения*, равный $I_{\text{max}} = 2,0$ А.

Цена деления данного амперметра:

$$C_A = \frac{0,5\text{ А}}{10\text{ дел.}} = 0,05 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$$

Таким образом, минимальное значение силы тока, измеренное данным прибором: $I_{\text{min}} = 0,05$ А.

На рис. 2 изображен амперметр, имеющий две шкалы: верхнюю и нижнюю.

Для нижней шкалы: верхний предел измерения $I_{\text{max}} = 1,0$ А; цена деления $C_A = 0,04 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$.

Для верхней шкалы: верхний предел измерения $I_{\text{max}} = 3,0$ А; цена деления $C_A = 0,1 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$.

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

Собираем электрическую цепь

При сборке электрической цепи обратите внимание на следующие детали:

Соединение проводов с клеммами приборов должно быть прочным и надежным.

При подключении амперметра соблюдайте полярность: клемма «+» амперметра должна соединяться (не обязательно напрямую — можно через несколько узлов) с клеммой «+» источника тока, а клемма «–» с клеммой «–» источника (рис. 3).

Рис. 3

После измерения силы тока (например, $I_1 = 0,24$ А) нужно изменить направление тока в цепи. При этом сила тока в цепи измениться не должна (например, $I_2 = 0,24$ А). Иначе вы что-то сделали не так.

Обратите внимание. Когда будете изменять направление тока на противоположное, нужно поменять местами провода, подключенные не только к клеммам источника, но и к клеммам амперметра.

Сила тока на разных участках цепи

Для измерения силы тока на других участках цепи необходимо отключить амперметр от цепи, соединить место разрыва, включить амперметр на новое место. Если вы все проделали правильно, то показания амперметра не изменятся, так как через любой участок цепи за одно и то же время проходит одинаковый электрический заряд.

Изменяем нагрузку

В инструкции к данной работе предлагается заменить лампочку резистором на панельке, а затем — резистором на держателе. Сложно сказать, чем эти резисторы отличаются. Скорее всего, у вас в школьном оборудовании будет просто два разных резистора. Назовем их: резистор 1 и резистор 2.

После замены лампочки на резистор 1, а потом на резистор 2 изменится электрическое сопротивление цепи, потому изменится и сила тока.

Полученные значения занесите в таблицу. Например:

Пишем выводы

В работе необходимо было не только собрать электрическую цепь и измерить силу тока, но и определить характеристики амперметра, которые нужно отразить в выводах.

При этом желательно указать результаты, которые были получены в ходе работы.

Например: «В ходе работы мы познакомились с амперметром и определили его характеристики ($I_{\text{max}} = 2,0$ А, $C_A = 0,05 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$). Собрали электрическую цепь и измерили силу тока в ней ($I_1 = 0,24$ А). При изменении направления тока в цепи сила тока и свечение лампочки не изменились. На разных участках цепи сила тока одинаковая ($I_1 = I_3 = I_4$). При замене лампочки резисторами сила тока увеличилась (уменьшилась)».

Модернизация цепи, или Чем опасно короткое замыкание?

Если провод 3 с клеммы С ключа (рис. 4) перенести на клемму В, а дополнительным проводом соединить клемму С с клеммой «+» источника, то получим схему, изображенную на рис. 5.

Рис. 4

Рис. 5

Теперь даже при разомкнутом ключе электрический ток будет идти по цепи, а лампочка будет гореть. Однако, если замкнуть ключ, ток пойдет уже не через лампочку, а в обход — через клемму С по дополнительному проводу. Таким образом, мы уберем из цепи нагрузку и возникнет опасность короткого замыкания — ситуации, когда электрическое сопротивление в цепи очень маленькое. В этом случае ток возрастет многократно, амперметр зашкалит, а источник сильно нагреется. Быстро разомкните цепь, чтобы приборы не вышли из строя!

Немного теории

Электрический ток — это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц. По соглашению, за направление тока принимают направление движения положительно заряженных частиц. В металлах носителями тока являются электроны, которые движутся в противоположную сторону (отрицательному полюсу к положительному).

Сила тока — это скалярная физическая величина, обозначаемая буквой $\text{I}$. Она численно равна электрическому заряду $\text{q}$, который прошел через поперечное сечение проводника за единицу времени $\text{t}$.

Формула для расчета силы тока:

$I = \frac{q}{t}$

Из этой формулы можно выразить электрический заряд: $q = It$.

Единицей измерения силы тока в системе СИ является ампер (А).

Электрическая цепь — это совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока. К обязательным элементам относятся источник тока, нагрузка (потребитель энергии), ключ (выключатель) и соединительные провода.

Ответ: Электрический ток — направленное движение заряженных частиц. Сила тока $\text{I}$ — это заряд $\text{q}$, прошедший через сечение проводника за время $\text{t}$, и измеряется в амперах (А). За направление тока принято направление движения положительных зарядов.

Знакомство с амперметром

Амперметр — это прибор для измерения силы тока. Он включается в цепь последовательно с тем элементом, силу тока в котором нужно измерить. Чтобы не оказывать значительного влияния на цепь, амперметр должен обладать очень малым внутренним сопротивлением.

При подключении амперметра необходимо соблюдать полярность: клемма «+» амперметра должна быть соединена с проводом, идущим от положительной клеммы источника тока, а клемма «–» — с проводом от отрицательной клеммы.

Рассмотрим амперметры, изображенные на рисунках 1 и 2.

Дано:

Для амперметра на рис. 1:
Верхний предел измерения $I_{max} = 2.0$ А.
Число делений между отметками 0 и 0,5 А равно 10.

Для амперметра на рис. 2:
Нижняя шкала: верхний предел измерения $I_{max} = 1.0$ А.
Верхняя шкала: верхний предел измерения $I_{max} = 3.0$ А.

Найти:

Цену деления $C_A$ для каждого амперметра и каждой шкалы.

Решение:

Цена деления шкалы прибора — это значение измеряемой величины, соответствующее одному наименьшему делению на шкале. Она определяется по формуле:

$C = \frac{A - B}{n}$

где $\text{A}$ и $\text{B}$ — два любых оцифрованных значения на шкале, а $\text{n}$ — количество делений между ними.

1. Для амперметра на рис. 1:

Возьмем значения $A = 0.5$ А и $B = 0$ А. Между ними 10 делений.$C_A = \frac{0.5 \text{ А} - 0 \text{ А}}{10 \text{ дел.}} = 0.05 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$

2. Для амперметра на рис. 2 (нижняя шкала):

Возьмем значения $A = 0.4$ А и $B = 0.2$ А. Между ними 5 делений.$C_A = \frac{0.4 \text{ А} - 0.2 \text{ А}}{5 \text{ дел.}} = \frac{0.2 \text{ А}}{5 \text{ дел.}} = 0.04 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$

3. Для амперметра на рис. 2 (верхняя шкала):

Возьмем значения $A = 1$ А и $B = 0$ А. Между ними 10 делений.$C_A = \frac{1 \text{ А} - 0 \text{ А}}{10 \text{ дел.}} = 0.1 \frac{\text{А}}{\text{дел.}}$

Ответ: Цена деления амперметра на рис. 1 составляет $0.05$ А/дел. Цена деления амперметра на рис. 2 для нижней шкалы — $0.04$ А/дел., для верхней шкалы — $0.1$ А/дел.

Собираем электрическую цепь

При сборке электрической цепи, как на рис. 3, необходимо обеспечить надежный контакт проводов с клеммами приборов. Амперметр включается в цепь последовательно, с соблюдением полярности: клемма «+» амперметра подключается к цепи со стороны положительного полюса источника, а клемма «–» — со стороны отрицательного. Если изменить направление тока в цепи, поменяв местами провода на клеммах источника, то для корректного измерения нужно также поменять местами провода на клеммах амперметра. При этом величина силы тока в цепи не должна измениться.

Ответ: При сборке цепи амперметр включается последовательно с нагрузкой, с соблюдением полярности. Величина силы тока не зависит от направления его протекания в цепи.

Сила тока на разных участках цепи

Для измерения силы тока на разных участках простой неразветвленной цепи (состоящей из источника, ключа, лампочки и амперметра, соединенных последовательно) необходимо размыкать цепь в разных местах и включать туда амперметр. При последовательном соединении всех элементов через любой участок цепи за одно и то же время проходит одинаковый электрический заряд. Следовательно, показания амперметра будут одинаковыми в любой точке такой цепи.

Ответ: В неразветвленной (последовательной) цепи сила тока одинакова на всех участках.

Изменяем нагрузку

Если в электрической цепи заменить один элемент нагрузки (например, лампочку) на другой (например, резистор), то изменится общее электрическое сопротивление цепи. Согласно закону Ома для полной цепи ($I = \frac{\varepsilon}{R+r}$), изменение внешнего сопротивления $\text{R}$ приведет к изменению силы тока $\text{I}$ в цепи. Например, если сопротивление резистора меньше сопротивления лампочки, сила тока увеличится. Если сопротивление резистора больше, сила тока уменьшится.

Ответ: При изменении нагрузки в цепи (например, замене лампочки на резистор с другим сопротивлением) изменяется общее сопротивление цепи, что приводит к изменению силы тока.

Пишем выводы

В выводах к лабораторной работе необходимо отразить все этапы исследования и полученные результаты. Следует указать характеристики измерительного прибора (амперметра), который использовался: его предел измерения и цену деления. Далее нужно описать собранную цепь и привести результаты измерений силы тока. Важно отметить выводы, сделанные на основе наблюдений: независимость величины тока от его направления, постоянство силы тока на разных участках последовательной цепи и изменение силы тока при замене нагрузки.

Ответ: В выводах необходимо указать характеристики амперметра, результаты измерений силы тока, а также сформулировать основные закономерности, установленные в ходе работы: сила тока одинакова во всех точках последовательной цепи и зависит от сопротивления нагрузки.

Модернизация цепи, или Чем опасно короткое замыкание?

Короткое замыкание — это соединение точек электрической цепи с разными потенциалами (например, полюсов источника тока) проводником, сопротивление которого очень мало по сравнению с сопротивлением остальных участков цепи. В схеме на рис. 5 при замыкании ключа ток пойдет в обход нагрузки (лампочки) по пути с очень малым сопротивлением (через ключ и дополнительный провод). Согласно закону Ома ($I = U/R$), если сопротивление $\text{R}$ стремится к нулю, сила тока $\text{I}$ резко и многократно возрастает. Это приводит к сильному нагреву проводов и источника тока, что может вызвать расплавление изоляции, выход из строя приборов (амперметр зашкалит) и даже пожар.

Ответ: Короткое замыкание опасно тем, что из-за крайне малого сопротивления участка цепи сила тока в ней многократно возрастает. Это может привести к перегреву и разрушению элементов цепи (источника тока, проводов, измерительных приборов) и возникновению пожара.