Задание 2, страница 192, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Задание 2. Изучите схему смешанного соединения с переменным резистором, выполняющим функцию шунта (обходного пути).

1. Соберите электрическую цепь по рисунку 2.

2. Скажите, как соединены между собой лампы $Л_1$, $Л_2$ и переменный резистор.

3. Включите вольтметры параллельно лампам. Проследите за их показаниями и яркостью свечения ламп при движении ручки переменного резистора от одного крайнего положения до другого. Объясните наблюдаемый эффект.

4. Поставьте движок резистора в положение, обеспечивающее максимальное сопротивление (верхнее на рисунке 8). Запомните яркость свечения ламп и запишите показания вольтметров.

5. Передвиньте движок резистора в положение, обеспечивающее наименьшее сопротивление (нижнее на рисунке 2). Запомните яркость свечения ламп, запишите показания приборов.

6. Сравните яркость свечения ламп и показания приборов в обоих случаях. Объясните, почему при малом сопротивлении резистора (второй случай) лампа $Л_1$ не горит, а подключенный к ней вольтметр не показывает напряжения.

Рис. 2

1. Соберите электрическую цепь по рисунку 2.

Данный пункт является практическим действием и предполагает физическую сборку электрической цепи в соответствии с предоставленной схемой.

Ответ: Пункт является инструкцией к выполнению лабораторной работы.

2. Скажите, как соединены между собой лампы Л₁, Л₂ и переменный резистор.

В представленной схеме лампа Л₁ и переменный резистор R соединены параллельно. Этот участок цепи (параллельно соединенные Л₁ и R) соединен последовательно с лампой Л₂. Таким образом, это смешанное соединение элементов.

Ответ: Лампа Л₁ и резистор R соединены параллельно, а лампа Л₂ соединена с ними последовательно.

3. Включите вольтметры параллельно лампам. Проследите за их показаниями и яркостью свечения ламп при движении ручки переменного резистора от одного крайнего положения до другого. Объясните наблюдаемый эффект.

При перемещении ползунка переменного резистора R изменяется его сопротивление, включенное в цепь. Это приводит к перераспределению токов и напряжений в схеме, что влияет на яркость свечения ламп.

Пусть сопротивления ламп равны $R_{Л1}$ и $R_{Л2}$, а сопротивление переменного резистора - $\text{R}$. Эквивалентное сопротивление параллельного участка с лампой Л₁ и резистором R равно $R_{1-2} = \frac{R_{Л1} \cdot R}{R_{Л1} + R}$. Общее сопротивление цепи составляет $R_{общ} = R_{Л2} + R_{1-2}$.

Случай 1: Увеличение сопротивления R (движок перемещается от нижнего положения к верхнему).

При увеличении $\text{R}$, сопротивление $R_{1-2}$ также увеличивается. Это ведет к увеличению общего сопротивления $R_{общ}$. Согласно закону Ома для полной цепи, общий ток $I_{общ} = U / R_{общ}$ уменьшается, где $\text{U}$ — напряжение источника.

- Так как лампа Л₂ включена последовательно, ток через нее $I_{Л2} = I_{общ}$ уменьшается. Ее яркость падает. Показания вольтметра V₂ ($U_2 = I_{Л2} \cdot R_{Л2}$) уменьшаются.

- Напряжение на параллельном участке $U_{1-2} = U - U_2$. Поскольку $U_2$ уменьшается, напряжение $U_{1-2}$ увеличивается.

- Напряжение на лампе Л₁ равно $U_{Л1} = U_{1-2}$, следовательно, оно растет. Яркость лампы Л₁ увеличивается, и показания вольтметра V₁ растут.

Случай 2: Уменьшение сопротивления R (движок перемещается от верхнего положения к нижнему).

Происходят обратные процессы: $\text{R}$ уменьшается $\implies R_{1-2}$ уменьшается $\implies R_{общ}$ уменьшается $\implies I_{общ}$ увеличивается.

- Ток через Л₂ ($I_{Л2}$) растет, лампа Л₂ горит ярче, показания вольтметра V₂ увеличиваются.

- Напряжение $U_2$ растет, следовательно, напряжение на параллельном участке $U_{1-2} = U - U_2$ уменьшается.

- Напряжение на лампе Л₁ ($U_{Л1}$) падает, лампа Л₁ горит тусклее, показания вольтметра V₁ уменьшаются.

Эффект объясняется тем, что резистор R работает как шунт (обходной путь) для лампы Л₁. Изменяя его сопротивление, мы изменяем, какая доля тока пойдет через лампу Л₁, а какая — в обход через резистор.

Ответ: При увеличении сопротивления R лампа Л₁ горит ярче, а Л₂ тусклее. При уменьшении R лампа Л₁ горит тусклее, а Л₂ ярче. Это связано с перераспределением тока между параллельными ветвями и изменением общего сопротивления цепи.

4. Поставьте движок резистора в положение, обеспечивающее максимальное сопротивление (верхнее на рисунке 2). Запомните яркость свечения ламп и запишите показания вольтметров.

Когда сопротивление резистора R максимально, большая часть тока, приходящего в узел 2, вынуждена идти через лампу Л₁, так как сопротивление пути через резистор R велико. Общий ток в цепи при этом минимален, так как общее сопротивление цепи максимально.

- Яркость свечения лампы Л₁ будет максимальной (в рамках данного эксперимента). Вольтметр V₁, подключенный к ней, покажет максимальное значение напряжения.

- Яркость свечения лампы Л₂ будет минимальной, так как через нее протекает минимальный общий ток. Вольтметр V₂, подключенный к ней, покажет минимальное значение напряжения.

Ответ: Лампа Л₁ горит ярко, лампа Л₂ горит тускло. Вольтметр V₁ показывает высокое напряжение, вольтметр V₂ — низкое.

5. Передвиньте движок резистора в положение, обеспечивающее наименьшее сопротивление (нижнее на рисунке 2). Запомните яркость свечения ламп, запишите показания приборов.

Когда сопротивление резистора R минимально (близко к нулю), он представляет собой путь с очень малым сопротивлением для тока. Общее сопротивление цепи при этом минимально (близко к $R_{Л2}$), а общий ток в цепи — максимален.

- Почти весь ток, приходящий в узел 2, пойдет по пути наименьшего сопротивления, то есть через резистор R, шунтируя лампу Л₁. Ток через лампу Л₁ будет близок к нулю, и она не будет гореть. Вольтметр V₁ покажет напряжение, близкое к нулю.

- Через лампу Л₂ протекает максимальный общий ток, поэтому ее яркость будет максимальной. Вольтметр V₂ покажет максимальное значение напряжения.

Ответ: Лампа Л₁ не горит, лампа Л₂ горит ярко. Вольтметр V₁ показывает напряжение, близкое к нулю, вольтметр V₂ — высокое напряжение.

6. Сравните яркость свечения ламп и показания приборов в обоих случаях. Объясните, почему при малом сопротивлении резистора (второй случай) лампа Л₁ не горит, а подключенный к ней вольтметр не показывает напряжения.

Сравнение:

- При максимальном R (п. 4): Л₁ — яркая, V₁ — высокое напряжение; Л₂ — тусклая, V₂ — низкое напряжение.

- При минимальном R (п. 5): Л₁ — не горит, V₁ — нулевое напряжение; Л₂ — яркая, V₂ — высокое напряжение.

Объяснение:

При малом сопротивлении резистора R (в идеале, когда $R \approx 0$ Ом), он фактически создает короткое замыкание для участка цепи, на котором находится лампа Л₁. Ток, доходя до узла 2, разделяется на две ветви: одну с лампой Л₁ и другую с резистором R. Согласно закону распределения токов в параллельных цепях, ток обратно пропорционален сопротивлению каждой ветви. Так как сопротивление R очень мало по сравнению с сопротивлением лампы $R_{Л1}$, практически весь ток ($I_{R}$) устремляется через резистор, а через лампу Л₁ течет пренебрежимо малый ток ($I_{Л1} \approx 0$).

Соотношение токов в параллельных ветвях: $\frac{I_{Л1}}{I_R} = \frac{R}{R_{Л1}}$. Если $R \to 0$, то и $I_{Л1} \to 0$.

Мощность, выделяемая на лампе, $P_{Л1} = I_{Л1}^2 R_{Л1}$, становится практически равной нулю, поэтому ее нить не накаливается и лампа не светится.

Напряжение, измеряемое вольтметром V₁, — это напряжение на параллельном участке между точками 1 и 2. Оно равно $U_1 = I_{Л1} \cdot R_{Л1}$. Поскольку ток $I_{Л1}$ близок к нулю, напряжение $U_1$ также будет близко к нулю. Вольтметр и покажет это нулевое значение.

Ответ: При малом сопротивлении R резистор шунтирует лампу Л₁, и почти весь ток идет через него, а не через лампу. Ток через лампу Л₁ становится недостаточным для ее свечения. Напряжение на лампе, равное произведению этого малого тока на ее сопротивление, также становится близким к нулю, что и регистрирует вольтметр.