Лабораторная работа 1, страница 270 - гдз по физике 11 класс учебник Касьянов

Исследование зависимости силы тока через спираль лампы накаливания от напряжения на ней

Цель работы: построить график зависимости силы тока от напряжения для лампы накаливания; определить границы применимости закона Ома для спирали лампы.

Оборудование, средства измерения: 1) источник питания, 2) ключ, 3) реостат, 4) амперметр, 5) вольтметр, 6) соединительные провода, 7) лампа накаливания (либо автомобильная 21 Вт 12 В, либо 4,8 В 0,5 А).

Порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь по схеме, приведённой на рисунке 181.

2. Установите максимальное сопротивление реостата, измерьте силу тока и напряжение.

3. Уменьшая сопротивление реостата, проведите совместные измерения силы тока и напряжения.

Обратите внимание: изменять сопротивление следует так, чтобы напряжение на лампе изменялось с шагом $2C$, где $C$ — цена деления шкалы вольтметра.

▲ 181

4. Результаты измерений с учётом погрешностей измерения (см. табл. 14) занесите в таблицу 15.

Таблица 15

№ опыта 1 2 3 4 5

Физическая величина

$(I \pm \Delta I)$ A

$(U \pm \Delta U)$ B

5. Постройте график зависимости силы тока от напряжения. Масштаб по осям должен совпадать с ценой деления шкалы соответствующего прибора.

6. Проанализируйте график и укажите напряжение $U_0$, начиная с которого нарушается прямая пропорциональная зависимость между силой тока и напряжением.

7. Сделайте вывод с учётом целей работы и объясните результат.

Данная работа является лабораторной и предполагает проведение реального эксперимента. Поскольку выполнить измерения невозможно, ниже представлен развернутый теоретический разбор выполнения работы с использованием гипотетических, но физически правдоподобных данных.

Цель работы: построить график зависимости силы тока от напряжения для лампы накаливания; определить границы применимости закона Ома для спирали лампы.

Порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь по схеме, приведённой на рисунке 181.

Сборка цепи производится последовательно. Положительный полюс источника питания соединяется с одним из контактов ключа. Другой контакт ключа соединяется с входом реостата. Выход реостата (подвижный контакт и один из крайних) соединяется с клеммой амперметра, помеченной знаком «+». Клемма амперметра со знаком «–» соединяется с одним из контактов лампы накаливания. Другой контакт лампы соединяется с отрицательным полюсом источника питания. Таким образом, источник питания, ключ, реостат, амперметр и лампа соединены последовательно. Вольтметр подключается параллельно лампе накаливания: его клемма «+» соединяется с контактом лампы, который ближе к положительному полюсу источника, а клемма «–» — с контактом, который ближе к отрицательному полюсу.

Ответ: Электрическая цепь для исследования зависимости силы тока в лампе от напряжения на ней собрана в соответствии со схемой, представленной в условии.

2. Установите максимальное сопротивление реостата, измерьте силу тока и напряжение. и 3. Уменьшая сопротивление реостата, проведите совместные измерения силы тока и напряжения.

При выполнении эксперимента реостат используется в качестве регулятора напряжения на лампе. В начальном положении движок реостата устанавливается так, чтобы его сопротивление было максимальным. При этом напряжение на лампе и ток через нее будут минимальными. Замыкаем ключ и записываем показания вольтметра и амперметра. Затем, плавно уменьшая сопротивление реостата (перемещая его движок), мы увеличиваем напряжение на лампе и ток в цепи. Проводим серию из 5 измерений, каждый раз фиксируя пару значений «напряжение–ток». Согласно указаниям, измерения следует проводить, изменяя напряжение с шагом, кратным цене деления вольтметра. Для примера, предположим, что мы проводим измерения для лампы с номинальными параметрами 4,8 В; 0,5 А.

Ответ: Проведена серия из пяти измерений силы тока и напряжения при постепенном уменьшении сопротивления реостата.

4. Результаты измерений с учётом погрешностей измерения занесите в таблицу 15.

Предположим, что используются следующие приборы: вольтметр с пределом измерения 6 В и ценой деления $C_V = 0.2$ В, и амперметр с пределом измерения 1 А и ценой деления $C_A = 0.02$ А. Абсолютные погрешности измерения для аналоговых приборов примем равными половине цены деления: $ \Delta U = C_V / 2 = 0.1$ В, $ \Delta I = C_A / 2 = 0.01$ А. Ниже представлена таблица с гипотетическими результатами измерений.

Ответ: Результаты гипотетических измерений силы тока и напряжения с учетом погрешностей занесены в таблицу.

5. Постройте график зависимости силы тока от напряжения.

Для построения графика (вольт-амперной характеристики лампы) отложим по оси абсцисс (горизонтальной) напряжение $U$ в вольтах (В), а по оси ординат (вертикальной) — силу тока $I$ в амперах (А). Нанесем на координатную плоскость точки, соответствующие измеренным значениям из таблицы, с учетом погрешностей (в виде крестов). Соединим точки плавной линией.

График будет представлять собой кривую, выходящую из начала координат ($0;0$). В отличие от графика для обычного резистора (который является прямой линией), эта кривая будет иметь возрастающую крутизну вначале, а затем будет изгибаться в сторону оси напряжений (ось $U$). Это означает, что с ростом напряжения ток растет все медленнее.

Ответ: Построен график зависимости силы тока от напряжения (вольт-амперная характеристика), который является нелинейным и представляет собой кривую, вогнутую к оси напряжений.

6. Проанализируйте график и укажите напряжение $U_0$, начиная с которого нарушается прямая пропорциональная зависимость между силой тока и напряжением.

Прямая пропорциональная зависимость между силой тока и напряжением ($I \sim U$), известная как закон Ома для участка цепи ($I = U/R$), справедлива только в том случае, если сопротивление $R$ проводника постоянно. Графиком такой зависимости является прямая линия, проходящая через начало координат.

Полученный график для лампы накаливания является кривой. Это говорит о том, что ее сопротивление $R$ не является постоянной величиной. Рассчитаем сопротивление лампы для каждой точки измерения по формуле $R = U/I$:

• $R_1 = 1.0 \text{ В} / 0.37 \text{ А} \approx 2.7 \text{ Ом}$
• $R_2 = 2.0 \text{ В} / 0.44 \text{ А} \approx 4.5 \text{ Ом}$
• $R_3 = 3.0 \text{ В} / 0.48 \text{ А} \approx 6.3 \text{ Ом}$
• $R_4 = 4.0 \text{ В} / 0.49 \text{ А} \approx 8.2 \text{ Ом}$
• $R_5 = 4.8 \text{ В} / 0.50 \text{ А} = 9.6 \text{ Ом}$

Как видно из расчетов, сопротивление спирали лампы растет с увеличением напряжения. Это происходит из-за того, что при увеличении напряжения и тока возрастает мощность, выделяемая на спирали ($P = U \cdot I$), что приводит к ее сильному нагреву. Сопротивление металлических проводников (в лампах используется вольфрам) зависит от температуры и увеличивается при ее росте.

Прямая пропорциональность нарушается, как только нагрев спирали становится существенным. На практике это происходит при очень малых напряжениях. Судя по полученным данным, даже при напряжении 1.0 В сопротивление уже заметно выше, чем "холодное" сопротивление спирали (которое обычно в 10-15 раз меньше рабочего). Таким образом, можно заключить, что напряжение $U_0$, при котором нарушается закон Ома, очень мало. Для более точного определения потребовались бы измерения в диапазоне от 0 до 1 В. Ориентировочно, можно принять $U_0 \approx 0.5$ В.

Ответ: Анализ графика и расчеты показывают, что сопротивление лампы накаливания растет с напряжением. Прямая пропорциональность между силой тока и напряжением нарушается, начиная с напряжения $U_0 \approx 0.5$ В, выше которого эффект нагрева спирали становится значительным.

7. Сделайте вывод с учётом целей работы и объясните результат.

В ходе выполнения лабораторной работы была собрана электрическая цепь и исследована зависимость силы тока через спираль лампы накаливания от напряжения на ней. Была построена вольт-амперная характеристика лампы.

Выводы:

1. Построенный график зависимости $I(U)$ для лампы накаливания является нелинейным. Это означает, что сила тока не пропорциональна напряжению.
2. Закон Ома для участка цепи в форме $I=U/R$ с постоянным $R$ для лампы накаливания не выполняется в широком диапазоне напряжений. Он применим лишь для очень малых напряжений (ориентировочно, до $U_0 \approx 0.5$ В), при которых спираль лампы практически не нагревается и ее сопротивление можно считать постоянным. Таким образом, определены границы применимости закона Ома.
3. Причиной нелинейности вольт-амперной характеристики является зависимость сопротивления металлической спирали лампы (из вольфрама) от температуры. С ростом напряжения увеличивается мощность, выделяемая в спирали, что ведет к росту ее температуры и, как следствие, к увеличению ее электрического сопротивления.

Таким образом, цели работы были достигнуты: построен график и определены границы применимости закона Ома для лампы накаливания. Результат объясняется зависимостью сопротивления проводников от температуры.

Ответ: В результате работы было установлено, что вольт-амперная характеристика лампы накаливания нелинейна, так как её сопротивление увеличивается при нагревании. Закон Ома для лампы справедлив только при малых напряжениях, пока её спираль не нагрелась.