Эксперимент, страница 148 - гдз по физике 10 класс учебник Закирова, Аширов

Эксперимент

Соберите цепь из последовательно соединенных между собой источника постоянного тока, ключа, лампы от карманного фонарика, реостата и амперметра. К лампе подключите вольтметр (рис. 152). Меняя положение ползуна реостата, наблюдайте за яркостью свечения лампы и показаниями измерительных приборов. Объясните наблюдаемые явления на основе закона Ома для участка цепи.

Рис. 152. К экспериментальному заданию

Решение

В электрической цепи, представленной на схеме, источник тока, ключ, амперметр, лампа и реостат соединены последовательно. Вольтметр, измеряющий напряжение на лампе, подключен к ней параллельно.

При перемещении ползунка реостата изменяется его сопротивление ($R_{реостата}$), включенное в цепь. Поскольку элементы соединены последовательно, изменяется и общее сопротивление внешней цепи $R_{общ} = R_{лампы} + R_{реостата}$.

Закон Ома для участка цепи гласит, что сила тока $I$ прямо пропорциональна напряжению $U$ и обратно пропорциональна сопротивлению $R$: $I = \frac{U}{R}$. Применительно ко всей цепи, сила тока $I$ определяется ЭДС источника $\mathcal{E}$ и полным сопротивлением цепи (включая внутреннее сопротивление источника $r$): $I = \frac{\mathcal{E}}{R_{общ} + r}$.

При увеличении сопротивления реостата $R_{реостата}$ общее сопротивление $R_{общ}$ также увеличивается. Это приводит к уменьшению силы тока $I$ во всей цепи, что будет зафиксировано амперметром. Так как напряжение на лампе связано с силой тока через закон Ома для участка цепи ($U_{лампы} = I \cdot R_{лампы}$), то уменьшение тока $I$ вызовет и уменьшение напряжения $U_{лампы}$ (при условно постоянном сопротивлении лампы $R_{лампы}$). Это изменение покажет вольтметр.

Яркость свечения лампы определяется мощностью, выделяемой на ней: $P = U_{лампы} \cdot I = I^2 \cdot R_{лампы}$. Поскольку и сила тока, и напряжение на лампе уменьшились, ее мощность также станет меньше, и лампа будет светить тусклее.

Соответственно, при уменьшении сопротивления реостата будут наблюдаться обратные явления: общее сопротивление цепи уменьшится, сила тока и напряжение на лампе возрастут, и лампа станет светить ярче. Показания амперметра и вольтметра увеличатся.

Таким образом, наблюдаемые изменения яркости лампы и показаний приборов при перемещении ползунка реостата полностью объясняются законом Ома: изменение сопротивления реостата регулирует силу тока в цепи, что, в свою очередь, определяет напряжение на лампе и ее мощность.

Ответ: При перемещении ползунка реостата изменяется его сопротивление и, как следствие, общее сопротивление цепи. Согласно закону Ома, это приводит к изменению силы тока в цепи. Изменение силы тока вызывает изменение напряжения на лампе ($U=IR$) и выделяемой на ней мощности ($P=I^2R$). В результате, при увеличении сопротивления реостата показания амперметра и вольтметра, а также яркость лампы, уменьшаются. При уменьшении сопротивления реостата — увеличиваются.