Задание 3, страница 193, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Задание 3. Изучите схему смешанного соединения с переменным резистором, выполняющим роль потенциометра (делителя напряжения).

1. Соберите электрическую цепь по рисунку 3.

2. Перемещайте движок резистора от одного крайнего положения до другого. Проследите за показаниями вольтметров.

3. Убедитесь, что общее напряжение в цепи (между точками 1 и 3) при любом положении движка резистора равно сумме показаний вольт- метров $V_1$ и $V_2$, т. е. переменный резистор поделил общее напряжение $\text{U}$ на составляющие $U_1$ и $U_2$.

4. Соберите цепь по рисунку 4, заменив вольтметры $V_1$ и $V_2$ лампами. Перемещая движок резистора и наблюдая за яркостью свечения ламп, подтвердите вывод, сделанный в предыдущем пункте.

Рис. 3

Рис. 4

1. Соберите электрическую цепь по рисунку 3.

Электрическая цепь собирается в соответствии со схемой, представленной на рисунке 3. К клеммам источника питания с напряжением $U=4 \text{ В}$ подключается переменный резистор (потенциометр) $\text{R}$. Выводы резистора 1 и 3 подключены к источнику. Два вольтметра $V_1$ и $V_2$ подключены для измерения напряжения на участках цепи. Вольтметр $V_1$ измеряет напряжение $U_1$ между точками 1 и 2 (подвижным контактом). Вольтметр $V_2$ измеряет напряжение $U_2$ между точками 2 и 3. Вольтметр, подключенный к точкам 1 и 3, показывает общее напряжение источника питания, равное 4 В.

Ответ: Электрическая цепь собрана согласно рисунку 3.

2. Перемещайте движок резистора от одного крайнего положения до другого. Проследите за показаниями вольтметров.

При перемещении движка переменного резистора из одного крайнего положения в другое, показания вольтметров $V_1$ и $V_2$ будут изменяться. Обозначим сопротивление между точками 1 и 2 как $R_1$, а между точками 2 и 3 как $R_2$. Полное сопротивление резистора $R = R_1 + R_2$ постоянно. Напряжения, измеряемые вольтметрами, равны $U_1$ и $U_2$.

1. Когда движок находится в крайнем верхнем положении (у точки 1), сопротивление $R_1 = 0$, а $R_2 = R$. Показания вольтметра $V_1$ будут равны $U_1=0 \text{ В}$, а показания вольтметра $V_2$ будут равны общему напряжению $U_2=U=4 \text{ В}$.

2. Когда движок находится в крайнем нижнем положении (у точки 3), сопротивление $R_1 = R$, а $R_2 = 0$. Показания вольтметра $V_1$ будут равны $U_1=U=4 \text{ В}$, а показания вольтметра $V_2$ будут равны $U_2=0 \text{ В}$.

3. При перемещении движка от точки 1 к точке 3, сопротивление $R_1$ будет плавно увеличиваться, а $R_2$ — уменьшаться. Соответственно, напряжение $U_1$ будет расти от 0 до 4 В, а напряжение $U_2$ будет убывать от 4 до 0 В. В любой момент сумма напряжений будет оставаться постоянной: $U_1 + U_2 = U = 4 \text{ В}$.

Ответ: При перемещении движка от точки 1 к точке 3 показания вольтметра $V_1$ увеличиваются от 0 до 4 В, а показания вольтметра $V_2$ уменьшаются от 4 до 0 В.

3. Убедитесь, что общее напряжение в цепи (между точками 1 и 3) при любом положении движка резистора равно сумме показаний вольтметров V₁ и V₂, т. е. переменный резистор поделил общее напряжение U на составляющие U₁ и U₂.

Участки резистора с сопротивлениями $R_1$ (между точками 1 и 2) и $R_2$ (между точками 2 и 3) соединены последовательно. Согласно второму закону Кирхгофа, при последовательном соединении общее напряжение на концах участка цепи равно сумме напряжений на каждом из последовательно соединенных элементов. В данном случае, общее напряжение $\text{U}$ (между точками 1 и 3) прикладывается ко всему потенциометру. Это напряжение распределяется между двумя его частями: $U_1$ на участке 1-2 и $U_2$ на участке 2-3. Таким образом, для любого положения движка выполняется равенство: $U = U_1 + U_2$. Поскольку вольтметры $V_1$ и $V_2$ измеряют именно эти напряжения, сумма их показаний всегда будет равна общему напряжению источника питания, $4 \text{ В}$. Это подтверждает, что потенциометр работает как делитель напряжения, разделяя общее напряжение $\text{U}$ на две составляющие, $U_1$ и $U_2$.

Ответ: Наблюдения подтверждают, что $U = U_1 + U_2$ при любом положении движка, так как участки 1-2 и 2-3 соединены последовательно, и общее напряжение на них равно сумме падений напряжения на каждом участке. Потенциометр делит напряжение.

4. Соберите цепь по рисунку 4, заменив вольтметры V₁ и V₂ лампами. Перемещая движок резистора и наблюдая за яркостью свечения ламп, подтвердите вывод, сделанный в предыдущем пункте.

Собирается цепь по рисунку 4. Вольтметры $V_1$ и $V_2$ заменены на лампы накаливания Л₁ и Л₂ соответственно. Лампа Л₁ подключена параллельно участку 1-2 потенциометра, а лампа Л₂ — параллельно участку 2-3. Яркость свечения лампы зависит от мощности, которая, в свою очередь, пропорциональна квадрату напряжения на лампе.

При перемещении движка потенциометра будет наблюдаться следующее:

1. Когда движок находится в крайнем верхнем положении (у точки 1), напряжение на участке 1-2 равно нулю. Лампа Л₁ не горит. Все напряжение источника питания приложено к участку 2-3, и лампа Л₂ горит с максимальной яркостью.

2. Когда движок находится в крайнем нижнем положении (у точки 3), напряжение на участке 2-3 равно нулю. Лампа Л₂ не горит. Все напряжение источника питания приложено к участку 1-2, и лампа Л₁ горит с максимальной яркостью.

3. При перемещении движка от точки 1 к точке 3, напряжение на участке 1-2 увеличивается, а на участке 2-3 уменьшается. В результате яркость лампы Л₁ будет плавно возрастать, а яркость лампы Л₂ — плавно убывать.

Это наблюдение подтверждает вывод из предыдущего пункта: потенциометр делит общее напряжение. Суммарное напряжение распределяется между двумя частями схемы (Л₁ и верхняя часть резистора; Л₂ и нижняя часть резистора). Изменение яркости ламп наглядно демонстрирует перераспределение напряжения между ними.

Ответ: При перемещении движка от точки 1 к 3 яркость лампы Л₁ увеличивается, а яркость Л₂ уменьшается, что наглядно демонстрирует принцип деления напряжения потенциометром.