Номер 11, страница 161, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Электростатика и постоянный электрический ток. Глава VIII. Постоянный электрический ток. Параграф 42. Закон Ома для полной цепи - номер 11, страница 161.

Условие.

11. Изображённый на рисунке 42.4 график зависимости напряжения $\text{U}$ от силы тока $\text{I}$ совершенно не похож на график прямой пропорциональности, который соответствует закону Ома для участка цепи: $U = IR$. Чем объясняется это различие?

Рис. 42.4

Решение 2.

Решение

Закон Ома для участка цепи, выраженный формулой $U = I \cdot R$, описывает зависимость напряжения $\text{U}$ на пассивном элементе цепи (например, на резисторе с постоянным сопротивлением $\text{R}$) от силы тока $\text{I}$, проходящего через этот элемент. Графиком такой зависимости в координатах ($I, U$) является прямая линия, проходящая через начало координат. Угловой коэффициент этой прямой равен сопротивлению $\text{R}$. Это прямая пропорциональность: чем больше ток, тем больше напряжение, и при отсутствии тока напряжение равно нулю.

График, изображённый на рисунке, представляет собой прямую линию, но она имеет отрицательный наклон и не проходит через начало координат. Такая зависимость описывает напряжение на клеммах реального источника тока (например, батареи или аккумулятора), который обладает электродвижущей силой (ЭДС) и внутренним сопротивлением. Эта зависимость выражается формулой, следующей из закона Ома для полной цепи:

$U = \mathcal{E} - I \cdot r$

В этой формуле $\text{U}$ — напряжение на клеммах источника, $\mathcal{E}$ — его электродвижущая сила (ЭДС), которая является постоянной величиной для данного источника, $\text{I}$ — сила тока, отдаваемого источником во внешнюю цепь, а $\text{r}$ — постоянное внутреннее сопротивление источника.

Эта формула является уравнением прямой. Из графика можно определить параметры источника:

1. Точка пересечения с осью напряжения (осью $\text{U}$) соответствует режиму холостого хода, когда ток $I = 0$. В этом случае напряжение на клеммах равно ЭДС: $U = \mathcal{E}$. Из графика видно, что при $I=0$ А напряжение $U=6$ В. Следовательно, ЭДС источника $\mathcal{E} = 6$ В.
2. Наклон графика показывает, как уменьшается напряжение на клеммах с ростом тока. Модуль тангенса угла наклона графика к оси тока равен внутреннему сопротивлению $\text{r}$. Его можно рассчитать, используя две точки на графике, например, (0 А; 6 В) и (2 А; 0 В):
   $r = \left| \frac{\Delta U}{\Delta I} \right| = \left| \frac{0 \text{ В} - 6 \text{ В}}{2 \text{ А} - 0 \text{ А}} \right| = \frac{6 \text{ В}}{2 \text{ А}} = 3$ Ом.

Таким образом, различие между графиком на рисунке и графиком закона Ома для участка цепи объясняется тем, что они описывают разные физические объекты: первый — реальный источник тока, а второй — пассивный элемент цепи (резистор).

Ответ:

Различие объясняется тем, что на рисунке изображен график зависимости напряжения на клеммах реального источника тока от силы тока, который он отдает во внешнюю цепь. Эта зависимость описывается формулой $U = \mathcal{E} - I \cdot r$, где $\mathcal{E}$ — ЭДС источника, а $\text{r}$ — его внутреннее сопротивление. В отличие от графика для резистора ($U=IR$), который является прямой пропорциональностью, проходящей через начало координат, график для источника является убывающей линейной функцией, пересекающей ось напряжения в точке, равной ЭДС, и имеющей отрицательный наклон, модуль которого равен внутреннему сопротивлению.