Номер 11, страница 199, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Лабораторные работы - номер 11, страница 199.

Условие.

11. Исследование вольтамперной характеристики лампы накаливания

Цель работы: проверить справедливость гипотезы: «Сила тока в лампе накаливания прямо пропорциональна напряжению на ней».

Оборудование: источник тока, ключ, лампа накаливания, амперметр²⁾, вольтметр, реостат, соединительные провода.

Подготовка к работе

1. Изучите описание работы.

2. Запишите в тетради формулы, используемые в работе (§ 40).

Содержание работы

Удельное сопротивление металлов значительно увеличивается при повышении температуры, поэтому зависимость напряжения от силы тока (вольтамперная характеристика) для металлического проводника может отличаться от прямой пропорциональности, если при увеличении силы тока проводник заметно нагревается. Именно так и происходит в случае лампы накаливания.

Для проверки справедливости сформулированной выше гипотезы надо провести несколько измерений, в каждом из которых изменяя силу тока в лампе так, чтобы при этом заметно изменялся накал нити лампы. Измеряя каждый раз силу тока и напряжение, наносят на координатную плоскость ($\text{U}$, $\text{I}$) экспериментальные точки с учётом погрешностей измерений.

Если экспериментальные точки (с учётом погрешностей измерений) будут лежать на одной прямой, проходящей через начало координат ($\text{I}$, $\text{U}$), то это будет означать, что опыт подтверждает сформулированную гипотезу.

Если же экспериментальные точки не будут лежать на одной прямой, проходящей через начало координат ($\text{I}$, $\text{U}$), то это будет означать, что опыт опровергает гипотезу.

Ход работы

Задание 1. Построение вольтамперной характеристики нити лампы накаливания

• Соберите электрическую цепь для измерения силы тока в лампе и напряжения на лампе.

• Руководствуясь описанием работы и используя предложенное оборудование, измерьте значения силы тока и напряжения для пяти различных значений силы тока. Следите за тем, чтобы при каждом новом измерении накал нити лампы заметно отличался от его накала при предыдущем измерении. Запишите результаты измерений в таблицу, заголовок которой приведён ниже.

№ опыта $\text{I}$, А $\text{U}$, В $\text{R}$, Ом

• Начертите оси координат для графика $I(U)$, выберите удобный масштаб и нанесите на координатную плоскость ($\text{I}$, $\text{U}$) полученные вами на опыте значения силы тока и напряжения с учётом погрешностей.

• По экспериментальным точкам постройте примерный вид графика зависимости напряжения на лампе от силы тока в ней (вольтамперную характеристику).

• Найдите значения сопротивления нити накала лампы при измеренных значениях силы тока и напряжения. Запишите результаты в таблицу. Сделайте вывод из сравнения найденных значений сопротивления и запишите его.

Задание 2. Проверка гипотезы: «Сила тока в лампе накаливания прямо пропорциональна напряжению на ней»

• По виду построенной вами вольтамперной характеристики для нити лампы накаливания сделайте и запишите вывод: согласуются ли результаты опыта с данной гипотезой или опровергают её?

Решение 2.

Задание 1. Построение вольтамперной характеристики нити лампы накаливания

Для выполнения задания необходимо собрать электрическую цепь. В цепь последовательно включаются источник тока, ключ, реостат, лампа накаливания и амперметр. Вольтметр подключается параллельно лампе накаливания для измерения напряжения на ней. С помощью реостата можно изменять сопротивление цепи и, как следствие, регулировать силу тока и напряжение на лампе.

Проводя эксперимент, мы изменяем силу тока в цепи с помощью реостата и для нескольких (в данном случае, пяти) различных значений силы тока $\text{I}$ измеряем соответствующее напряжение $\text{U}$ на лампе. Важно, чтобы при каждом измерении накал нити лампы заметно отличался. Результаты измерений заносятся в таблицу. Далее для каждого опыта рассчитывается сопротивление нити лампы по закону Ома для участка цепи: $R = U/I$.

Примерные результаты измерений и расчетов могут выглядеть следующим образом:

№ опыта	I, А	U, В	R, Ом
1	0,20	1,0	5,0
2	0,30	2,0	6,7
3	0,38	3,0	7,9
4	0,45	4,0	8,9
5	0,50	5,0	10,0

Далее строится вольтамперная характеристика (ВАХ) — график зависимости силы тока $\text{I}$ от напряжения $\text{U}$. По оси абсцисс откладывается напряжение $\text{U}$, а по оси ординат — сила тока $\text{I}$. Нанеся экспериментальные точки на график и соединив их плавной линией, мы получим кривую, которая начинается в начале координат и изгибается в сторону оси напряжения. Это означает, что приращение силы тока становится меньше при одинаковом приращении напряжения по мере его роста.

Анализируя столбец со значениями сопротивления $\text{R}$ в таблице, можно сделать вывод: сопротивление нити накала лампы не является постоянным. Оно увеличивается с ростом силы тока и напряжения. Это объясняется тем, что с увеличением силы тока нить лампы (сделанная из вольфрама) нагревается, а удельное сопротивление металлов растет с повышением температуры.

Ответ: Сопротивление нити лампы накаливания не является постоянной величиной; оно увеличивается с ростом силы тока и напряжения (от 5,0 Ом до 10,0 Ом в данном примере), так как нить нагревается.

Задание 2. Проверка гипотезы: «Сила тока в лампе накаливания прямо пропорциональна напряжению на ней»

Гипотеза утверждает, что сила тока в лампе прямо пропорциональна напряжению на ней. Математически это выражается формулой $I = k \cdot U$, где $\text{k}$ — постоянный коэффициент пропорциональности. Эта зависимость является частным случаем закона Ома для участка цепи ($I = U/R$) при условии, что сопротивление $\text{R}$ постоянно ($k = 1/R = \text{const}$).

Графиком прямой пропорциональности является прямая линия, проходящая через начало координат.

Построенная в Задании 1 вольтамперная характеристика лампы накаливания является кривой, а не прямой линией. Это наглядно показывает, что зависимость между силой тока и напряжением не является прямо пропорциональной.

Кроме того, расчеты сопротивления в Задании 1 показали, что величина $\text{R}$ не постоянна, а возрастает с увеличением тока. Следовательно, и коэффициент $k = 1/R$ не является постоянным.

Таким образом, результаты эксперимента опровергают выдвинутую гипотезу.

Ответ: Результаты опыта опровергают гипотезу о прямой пропорциональности силы тока и напряжения в лампе накаливания. Это связано с тем, что сопротивление нити лампы зависит от температуры, увеличиваясь при нагревании, поэтому её вольтамперная характеристика не является прямой линией.