Номер 5, страница 30 - гдз по физике 8 класс самостоятельные и контрольные работы Шабусов, Дубина

Лабораторная работа № 5

Изучение последовательного соединения проводников (урок 38)

Немного теории

Простейшим видом соединения нескольких проводников является последовательное, при котором соединяемые проводники имеют по одной общей точке (рис. 1).

Рис. 1

Недостатком последовательного соединения является то, что при выходе из строя одного проводника происходит разрыв всей цепи и, как следствие, в ней пропадает ток. Также при последовательном соединении напряжение на проводнике зависит от сопротивления других проводников и меняется при подключении в цепь нового элемента.

Измерение силы тока на разных участках цепи вы уже проводили в лабораторной работе № 3.

Обратите внимание. При включении приборов в цепь необходимо соблюдать полярность.

Например, $I_1 = 0,52$ А, $I_2 = 0,52$ А, $I_0 = 0,52$ А.

Если вы все проделали правильно, сила тока в последовательно соединенных резисторах будет одинаковой.

Для измерения напряжения на отдельных резисторах, а также на всем участке цепи нужно собрать следующие схемы (рис. 2-4).

Рис. 2

Рис. 3

Рис. 4

Исходя из закономерностей последовательного соединения: $U_0 = U_1 + U_2$. Например, $U_1 = 3,2$ В, $U_2 = 1,6$ В, $U_0 = 4,8$ В.

Тогда

$$U_0 = U_1 + U_2 = 3,2\text{ В} + 1,6\text{ В} = 4,8\text{ В}$$.

Полученные результаты подтверждают: напряжение на участке цепи с последовательным соединением проводников равно сумме напряжений на отдельных проводниках.

Сопротивление участка цепи:

$$R_0 = \frac{U_0}{I_0} = \frac{4,8\text{ В}}{0,52\text{ А}} = 9,2\text{ Ом}$$.

На резисторах указаны паспортные значения их сопротивлений. Например, $R_1 = 6,0\text{ Ом}$, $R_2 = 3,0\text{ Ом}$. Тогда $R_0 = 6,0\text{ Ом} + 3,0\text{ Ом} = 9,0\text{ Ом}$. Незначительное расхождение между полученными значениями можно объяснить погрешностью измерений.

Полученные значения занесите в таблицу. Например:

Пишем выводы

В ходе работы требовалось научиться собирать цепь с последовательным соединением проводников и экспериментально проверить выполнение закономерностей последовательного соединения, поэтому можно сделать следующие выводы: «В ходе работы мы собрали цепь с последовательным соединением двух резисторов. Экспериментальная проверка закономерностей последовательного соединения показала: сила тока в отдельных проводниках равна силе тока на всем участке цепи ($I_1 = I_2 = I_0 = 0,52$ А); напряжение на участке цепи равно сумме напряжений на отдельных резисторах ($U_1 = 3,2\text{ В}$, $U_2 = 1,6\text{ В}$, $U_0 = 4,8\text{ В} \Rightarrow U_0 = U_1 + U_2$); сопротивление участка цепи равно сумме сопротивлений отдельных резисторов ($R_0 = R_1 + R_2$)».

Амперметр тоже проводник!

Собранная цепь имеет еще один элемент, который последовательно соединен с резисторами, — это амперметр. Известно, что сопротивление амперметра значительно меньше сопротивления резисторов, поэтому он не должен влиять на силу тока в цепи. Это можно проверить, если собрать следующую схему (рисунок 5).

Рис. 5

Скорее всего, вольтметр ничего не зарегистрирует, так как напряжение, которое он показывает, равно: $U = IR$, и если $R \approx 0$, то и $U \approx 0$.

Закономерности последовательного соединения проводников

При последовательном соединении проводников действуют следующие закономерности:

1. Сила тока во всех проводниках одинакова и равна силе тока на всем участке цепи: $I = I_1 = I_2 = ... = I_n$.

2. Напряжение на всем участке цепи равно сумме напряжений на каждом отдельном проводнике: $U = U_1 + U_2 + ... + U_n$.

3. Общее сопротивление участка цепи равно сумме сопротивлений отдельных проводников: $R = R_1 + R_2 + ... + R_n$.

4. Если участок цепи состоит из $\text{N}$ одинаковых проводников с сопротивлением $R_1$, то общее сопротивление равно: $R = N \cdot R_1$.

Основным недостатком последовательного соединения является то, что при выходе из строя одного элемента (разрыве цепи) прекращается ток во всей цепи.

Измеряем силу тока и напряжение

На основе примера, приведенного в лабораторной работе, проведем расчеты для проверки закономерностей последовательного соединения.

Дано:

Сила тока в цепи, $I_0 = 0,52$ А

Напряжение на первом резисторе, $U_1 = 3,2$ В

Напряжение на втором резисторе, $U_2 = 1,6$ В

Паспортное сопротивление первого резистора, $R_{1, пасп} = 6,0$ Ом

Паспортное сопротивление второго резистора, $R_{2, пасп} = 3,0$ Ом

Все величины представлены в системе СИ, перевод не требуется.

Найти:

Общее напряжение на участке цепи $U_0$

Сопротивления резисторов по результатам измерений $R_1$, $R_2$

Общее сопротивление участка цепи по результатам измерений $R_0$

Сравнить экспериментальные и теоретические значения.

Решение:

1. Проверим закон для силы тока. Согласно условию, сила тока на разных участках цепи одинакова: $I_1 = I_2 = I_0 = 0,52$ А. Первая закономерность выполняется.

2. Проверим закон для напряжений. Общее напряжение на участке цепи должно быть равно сумме напряжений на отдельных резисторах:

$U_0 = U_1 + U_2$

$U_0 = 3,2 \text{ В} + 1,6 \text{ В} = 4,8 \text{ В}$

Экспериментальное значение общего напряжения совпадает с суммой напряжений на отдельных участках. Вторая закономерность выполняется.

3. Рассчитаем общее сопротивление участка цепи, используя экспериментальные данные (общее напряжение $U_0$ и общую силу тока $I_0$) и закон Ома:

$R_0 = \frac{U_0}{I_0} = \frac{4,8 \text{ В}}{0,52 \text{ А}} \approx 9,23 \text{ Ом}$

Округлим до десятых, как в примере: $R_0 \approx 9,2 \text{ Ом}$.

4. Рассчитаем теоретическое общее сопротивление, сложив паспортные значения сопротивлений резисторов:

$R_{0, пасп} = R_{1, пасп} + R_{2, пасп} = 6,0 \text{ Ом} + 3,0 \text{ Ом} = 9,0 \text{ Ом}$

5. Сравним экспериментальное и теоретическое значения общего сопротивления. $R_0 = 9,2$ Ом, а $R_{0, пасп} = 9,0$ Ом. Значения близки. Незначительное расхождение ($0,2$ Ом) можно объяснить погрешностью измерительных приборов.

6. Дополнительно рассчитаем экспериментальные значения сопротивлений для каждого резистора:

$R_1 = \frac{U_1}{I_0} = \frac{3,2 \text{ В}}{0,52 \text{ А}} \approx 6,15 \text{ Ом}$

$R_2 = \frac{U_2}{I_0} = \frac{1,6 \text{ В}}{0,52 \text{ А}} \approx 3,08 \text{ Ом}$

Сумма этих сопротивлений $R_1 + R_2 = 6,15 \text{ Ом} + 3,08 \text{ Ом} = 9,23 \text{ Ом}$, что совпадает с ранее вычисленным значением $R_0$. Это подтверждает, что третья закономерность ($R_0 = R_1 + R_2$) для экспериментальных данных выполняется.

Ответ: Общее напряжение на участке $U_0 = 4,8$ В. Общее сопротивление, полученное экспериментально, $R_0 \approx 9,2$ Ом. Эксперимент подтверждает справедливость законов последовательного соединения: сила тока на всех участках одинакова, общее напряжение равно сумме напряжений на элементах, а общее сопротивление равно сумме сопротивлений элементов (с учетом погрешности измерений).

Пишем выводы

В ходе работы мы собрали цепь с последовательным соединением двух резисторов. Экспериментальная проверка закономерностей последовательного соединения показала: сила тока в отдельных проводниках равна силе тока на всем участке цепи ($I_1 = I_2 = I_0 = 0,52$ А); напряжение на участке цепи равно сумме напряжений на отдельных резисторах ($U_1 = 3,2$ В, $U_2 = 1,6$ В, $U_0 = 4,8$ В $\Rightarrow U_0 = U_1 + U_2$); сопротивление участка цепи равно сумме сопротивлений отдельных резисторов ($R_0 \approx R_1 + R_2$). Экспериментальное значение общего сопротивления ($R_0 \approx 9,2$ Ом) незначительно отличается от теоретического ($9,0$ Ом), что объясняется погрешностью измерений.

Ответ: Экспериментально подтверждены законы последовательного соединения проводников.

Амперметр тоже проводник!

В задаче предлагается рассмотреть схему (рис. 5), где вольтметр подключен параллельно амперметру, и определить, что покажет вольтметр. Амперметр включается в цепь последовательно, и его собственное сопротивление $R_A$ очень мало (в идеале $R_A \to 0$), чтобы не оказывать заметного влияния на измеряемую цепь. Вольтметр измеряет напряжение на том участке, к которому он подключен. В данном случае он измеряет напряжение на амперметре $U_A$. По закону Ома, напряжение на амперметре равно: $U_A = I \cdot R_A$. Так как сопротивление амперметра $R_A$ очень близко к нулю, то и напряжение на нем также будет стремиться к нулю: $U_A \approx 0$.

Ответ: Вольтметр, подключенный параллельно амперметру, покажет напряжение, близкое к нулю.