Лабораторная работа №8, страница 194, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Лабораторная работа №8

Вольтамперная характеристика лампы накаливания, резистора и полупроводникового диода

Цель работы: Исследовать зависимость силы тока в проводнике, лампе накаливания и полупроводниковом диоде от напряжения на его концах при постоянном сопротивлении.

Оборудование: источник тока (12 В); вольтметр; амперметр; ключ; резистор; полупроводниковый диод; патрон для лампы, лампа накаливания (12 В); соединительные провода.

Ход работы:

1. Соберите электрическую цепь, схема которой изображена на рисунке 6.

2. Включите источник питания.

3. Замкните выключатель.

4. Увеличивайте напряжение с 0 В до 10 В каждый раз на 2 В, измеряйте при этом силу тока, напряжение на резисторе.

5. Запишите результаты в таблицу 1.

6. Вычислите отношение измеренного на резисторе напряжения к измеренному значению силы тока и полученные значения сопротивления занесите в таблицу.

Таблица 1

7. Замените резистор лампой накаливания (12 В) (рис. 7).

8. Включите снова блок питания, замкните выключатель и повторите всю серию измерений.

9. Полученные данные для силы тока и напряжения на лампе занесите в таблицу 2.

10. Вычислите отношение измеренного на резисторе напряжения к измеренному значению силы тока и полученные значения сопротивления занесите в таблицу.

Таблица 2

11. Замените лампу накаливания полупроводниковым диодом (рис. 8).

12. Включите снова блок питания, замкните выключатель и повторите всю серию измерений.

13. Занесите в таблицу 3 полученные вами данные для силы тока и напряжения на диоде.

Таблица 3

14. Разомкните цепь и выключите источник тока. Соберите схему для снятия вольтамперной характеристики полупроводникового диода при обратном направлении тока.

15. Включите снова блок питания, замкните выключатель и повторите всю серию измерений.

16. Занесите в таблицу 4 полученные вами данные для силы тока и напряжения на диоде при обратном направлении тока через диод.

Таблица 4

Обработка экспериментальных данных

1. Постройте по данным таблицы 1 график зависимости силы тока от напряжения для резистора.

2. По данным таблицы 2 постройте график зависимости силы тока от напряжения для лампы накаливания.

3. Постройте по данным таблиц 3 и 4 график зависимости силы тока от напряжения для полупроводникового диода для прямого и обратного направлений тока через диод.

Поскольку данное задание является лабораторной работой, для его выполнения необходимо провести реальные измерения. Ввиду отсутствия такой возможности, мы проведем симуляцию эксперимента, сгенерировав правдоподобные экспериментальные данные, и на их основе выполним все расчеты и построим выводы.

Выполнение измерений для резистора (пп. 3-6)

Дано:

Электрическая цепь с резистором (рис. 6). Напряжение на источнике изменяется от 0 В до 10 В с шагом в 2 В. Для симуляции выберем резистор с постоянным сопротивлением $R = 5 \, \text{Ом}$.

Найти:

Измерить силу тока $\text{I}$ для каждого значения напряжения $\text{U}$. Рассчитать сопротивление $\text{R}$. Заполнить таблицу 1.

Решение:

Для каждого значения напряжения $\text{U}$, поданного на резистор, измеряем силу тока $\text{I}$ в цепи. Затем рассчитываем сопротивление по закону Ома для участка цепи: $R = \frac{U}{I}$.

1. При $U = 0 \, \text{В}$, сила тока $I = 0 \, \text{А}$.

2. При $U = 2 \, \text{В}$, сила тока будет $I = \frac{2 \, \text{В}}{5 \, \text{Ом}} = 0.4 \, \text{А}$. Рассчитанное сопротивление: $R = \frac{2 \, \text{В}}{0.4 \, \text{А}} = 5 \, \text{Ом}$.

3. При $U = 4 \, \text{В}$, сила тока будет $I = \frac{4 \, \text{В}}{5 \, \text{Ом}} = 0.8 \, \text{А}$. Рассчитанное сопротивление: $R = \frac{4 \, \text{В}}{0.8 \, \text{А}} = 5 \, \text{Ом}$.

4. При $U = 6 \, \text{В}$, сила тока будет $I = \frac{6 \, \text{В}}{5 \, \text{Ом}} = 1.2 \, \text{А}$. Рассчитанное сопротивление: $R = \frac{6 \, \text{В}}{1.2 \, \text{А}} = 5 \, \text{Ом}$.

5. При $U = 8 \, \text{В}$, сила тока будет $I = \frac{8 \, \text{В}}{5 \, \text{Ом}} = 1.6 \, \text{А}$. Рассчитанное сопротивление: $R = \frac{8 \, \text{В}}{1.6 \, \text{А}} = 5 \, \text{Ом}$.

6. При $U = 10 \, \text{В}$, сила тока будет $I = \frac{10 \, \text{В}}{5 \, \text{Ом}} = 2.0 \, \text{А}$. Рассчитанное сопротивление: $R = \frac{10 \, \text{В}}{2.0 \, \text{А}} = 5 \, \text{Ом}$.

Заполняем таблицу 1 полученными данными.

Ответ:

Выполнение измерений для лампы накаливания (пп. 7-10)

Дано:

Электрическая цепь с лампой накаливания (рис. 7). Напряжение на источнике изменяется от 0 В до 10 В с шагом в 2 В.

Найти:

Измерить силу тока $\text{I}$ для каждого значения напряжения $\text{U}$. Рассчитать сопротивление $\text{R}$. Заполнить таблицу 2.

Решение:

В отличие от резистора, сопротивление нити накала лампы зависит от ее температуры, которая растет с увеличением напряжения и тока. Поэтому вольтамперная характеристика лампы будет нелинейной, а ее сопротивление $R = U/I$ будет увеличиваться. Сгенерируем правдоподобные данные, отражающие этот эффект.

1. При $U = 0 \, \text{В}$, $I = 0 \, \text{А}$.

2. При $U = 2.0 \, \text{В}$, пусть $I = 0.20 \, \text{А}$. Тогда $R = \frac{2.0}{0.20} = 10.0 \, \text{Ом}$.

3. При $U = 4.0 \, \text{В}$, ток растет нелинейно, пусть $I = 0.35 \, \text{А}$. Тогда $R = \frac{4.0}{0.35} \approx 11.4 \, \text{Ом}$.

4. При $U = 6.0 \, \text{В}$, пусть $I = 0.45 \, \text{А}$. Тогда $R = \frac{6.0}{0.45} \approx 13.3 \, \text{Ом}$.

5. При $U = 8.0 \, \text{В}$, пусть $I = 0.52 \, \text{А}$. Тогда $R = \frac{8.0}{0.52} \approx 15.4 \, \text{Ом}$.

6. При $U = 10.0 \, \text{В}$, пусть $I = 0.58 \, \text{А}$. Тогда $R = \frac{10.0}{0.58} \approx 17.2 \, \text{Ом}$.

Заполняем таблицу 2.

Ответ:

Выполнение измерений для полупроводникового диода (пп. 11-16)

Дано:

Электрическая цепь с диодом (рис. 8) для прямого включения и аналогичная схема для обратного включения. Напряжение на источнике изменяется от 0 В до 10 В с шагом в 2 В.

Найти:

Измерить силу тока $\text{I}$ для каждого значения напряжения $\text{U}$ при прямом и обратном смещении. Заполнить таблицы 3 и 4.

Решение:

Полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью. При прямом смещении (напряжение на аноде больше, чем на катоде) ток экспоненциально растет после достижения порогового напряжения (около 0.7 В для кремниевых диодов). При обратном смещении ток очень мал (ток утечки).

Прямое смещение (Таблица 3):

При напряжениях, значительно превышающих пороговое, ток резко возрастает.

Обратное смещение (Таблица 4):

При обратном смещении через диод течет очень малый ток утечки, который мы примем близким к нулю для большинства стандартных амперметров, но для точности укажем модельные значения в микроамперах (мкА).

Ответ:

Обработка экспериментальных данных

1. Постройте по данным таблицы 1 график зависимости силы тока от напряжения для резистора.

Решение:

Для построения графика откладываем по оси абсцисс (горизонтальной) напряжение $\text{U}$ в вольтах, а по оси ординат (вертикальной) — силу тока $\text{I}$ в амперах. Отмечаем точки, соответствующие данным из таблицы 1: (0; 0), (2.0; 0.4), (4.0; 0.8), (6.0; 1.2), (8.0; 1.6), (10.0; 2.0). Соединив точки, мы получим прямую линию, проходящую через начало координат.

Ответ:

График зависимости силы тока от напряжения для резистора (вольтамперная характеристика) представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Это свидетельствует о том, что сила тока прямо пропорциональна напряжению, а сопротивление резистора постоянно. Это соответствует закону Ома для участка цепи: $I = U/R$.

2. По данным таблицы 2 постройте график зависимости силы тока от напряжения для лампы накаливания.

Решение:

Аналогично первому пункту, строим график по точкам из таблицы 2: (0; 0), (2.0; 0.20), (4.0; 0.35), (6.0; 0.45), (8.0; 0.52), (10.0; 0.58). Соединив точки плавной линией, мы получим кривую, начинающуюся в начале координат.

Ответ:

Вольтамперная характеристика лампы накаливания является нелинейной. График представляет собой кривую, наклон которой уменьшается с ростом напряжения (кривая "загибается" в сторону оси напряжений). Это означает, что с ростом напряжения и тока сопротивление нити накала лампы увеличивается из-за ее нагрева. Закон Ома в простой форме $I=U/R$ с постоянным $\text{R}$ здесь не выполняется.

3. Постройте по данным таблиц 3 и 4 график зависимости силы тока от напряжения для полупроводникового диода для прямого и обратного направлений тока через диод.

Решение:

Для построения этого графика используют все четыре координатные четверти. По оси абсцисс откладывают напряжение $\text{U}$. Положительные значения $\text{U}$ соответствуют прямому смещению (таблица 3), а отрицательные — обратному. Для построения графика обратной ветви мы берем напряжения из таблицы 4 со знаком минус: -2.0 В, -4.0 В и т.д. Силу тока $\text{I}$ откладывают по оси ординат. При обратном смещении ток также считается отрицательным (течет в обратную сторону), но его значения настолько малы, что на графике он практически сливается с осью напряжений.

Ответ:

Вольтамперная характеристика диода резко асимметрична.

Прямая ветвь (U > 0, первая четверть): График начинается в начале координат и идет почти горизонтально, а затем, после порогового напряжения, резко устремляется вверх. Это показывает, что при прямом смещении диод хорошо проводит ток.

Обратная ветвь (U < 0, третья четверть): График представляет собой линию, идущую очень близко к оси напряжений. Сила обратного тока крайне мала (практически равна нулю) вплоть до напряжения пробоя (которое в данном эксперименте не достигалось).

Такой вид графика демонстрирует основное свойство диода — одностороннюю проводимость: он действует как проводник при прямом смещении и как изолятор — при обратном.