Номер 2, страница 28 - гдз по физике 11 класс тетрадь для лабораторных работ Парфентьева

2. Оборудование

Батарейка 1,5 В, солнечная батарея, источник света — лампа 100 Вт, амперметр, вольтметр, переменное сопротивление (реостат).

На изображении представлен перечень оборудования, а не задача или вопрос. Однако с помощью данного набора можно провести лабораторную работу по исследованию характеристик источников тока. Ниже представлено решение такой задачи.

Дано:
Источник тока 1: батарейка с ЭДС $\mathcal{E}_{ном} = 1,5$ В.
Источник тока 2: солнечная батарея.
Источник света: лампа мощностью $P = 100$ Вт.
Измерительные приборы: амперметр, вольтметр.
Нагрузка: переменное сопротивление (реостат).

Все величины даны в системе СИ.

Найти:
1. Вольт-амперную характеристику (ВАХ) батарейки, ее ЭДС $\mathcal{E}_1$ и внутреннее сопротивление $r_1$.
2. Вольт-амперную характеристику (ВАХ) солнечной батареи, ее напряжение холостого хода $U_{хх2}$, ток короткого замыкания $I_{кз2}$ и максимальную мощность $P_{max2}$.
3. Сравнить характеристики и параметры источников тока.

Решение:

Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) источника тока называется зависимость напряжения на его выводах $U$ от силы тока $I$, протекающего во внешней цепи. Для исследования этой зависимости необходимо собрать электрическую цепь, состоящую из исследуемого источника, реостата для изменения силы тока, а также амперметра и вольтметра для измерения соответствующих величин.

1. Исследование вольт-амперной характеристики батарейки

a) Соберите электрическую цепь по схеме: батарейка, амперметр и реостат соединены последовательно. Вольтметр подключается параллельно к выводам батарейки.

б) Перед замыканием цепи измерьте напряжение на клеммах батарейки. Это напряжение холостого хода, которое примерно равно ее ЭДС: $U_{хх1} \approx \mathcal{E}_1$.

в) Замкните цепь. Плавно изменяя сопротивление реостата от максимального значения к минимальному, снимите 6-8 пар значений силы тока $I_1$ и напряжения $U_1$. Результаты занесите в таблицу.

г) По полученным данным постройте график зависимости $U_1$ от $I_1$. Этот график является вольт-амперной характеристикой батарейки. Для большинства гальванических элементов в рабочем диапазоне токов эта зависимость близка к линейной и описывается уравнением: $U_1 = \mathcal{E}_1 - I_1 \cdot r_1$.

д) Определите параметры источника по графику. ЭДС $\mathcal{E}_1$ можно найти, экстраполировав прямую до пересечения с осью ординат (при $I_1=0$). Внутреннее сопротивление $r_1$ определяется как модуль тангенса угла наклона графика к оси абсцисс: $r_1 = \left| \frac{\Delta U_1}{\Delta I_1} \right|$.

Ответ: В результате измерений и расчетов будет получена вольт-амперная характеристика батарейки (график, близкий к прямой линии), а также определены ее численные параметры: электродвижущая сила $\mathcal{E}_1$ (в вольтах) и внутреннее сопротивление $r_1$ (в омах).

2. Исследование вольт-амперной характеристики солнечной батареи

a) Разместите лампу на некотором фиксированном расстоянии от солнечной батареи, чтобы обеспечить постоянную и равномерную освещенность ее поверхности. Это расстояние и угол падения света не должны меняться в ходе эксперимента.

б) Соберите электрическую цепь, аналогичную предыдущей, но вместо гальванического элемента используйте солнечную батарею.

в) Проведите измерения аналогично пункту 1(в), изменяя сопротивление реостата от максимума до нуля (короткое замыкание). Запишите 6-8 пар значений силы тока $I_2$ и напряжения $U_2$ в таблицу.

г) Постройте график зависимости $U_2$ от $I_2$. ВАХ солнечной батареи имеет существенно нелинейный вид.

д) Определите по графику основные параметры: напряжение холостого хода $U_{хх2}$ (точка пересечения с осью ординат, $I_2=0$) и ток короткого замыкания $I_{кз2}$ (точка пересечения с осью абсцисс, $U_2=0$).

е) Рассчитайте для каждой измеренной точки мощность $P_2 = U_2 \cdot I_2$, отдаваемую во внешнюю цепь. Постройте график зависимости $P_2$ от $I_2$ (или $U_2$) и найдите максимальное значение мощности $P_{max2}$. Точка на ВАХ, соответствующая этой мощности, называется точкой максимальной мощности.

Ответ: В результате будет получена нелинейная вольт-амперная характеристика солнечной батареи при заданной освещенности, а также определены ее параметры: напряжение холостого хода $U_{хх2}$ (В), ток короткого замыкания $I_{кз2}$ (А) и максимальная отдаваемая мощность $P_{max2}$ (Вт).

3. Сравнение характеристик источников тока

a) Наложите полученные графики ВАХ на одну координатную плоскость для наглядного сравнения.

б) Сравните форму графиков. ВАХ батарейки является линейной (с небольшими отклонениями), что говорит о постоянстве ее внутреннего сопротивления. ВАХ солнечной батареи нелинейна, что указывает на сложную зависимость ее внутренних процессов от режима работы.

в) Сравните численные параметры. Отметьте, что напряжение на батарейке слабо падает с ростом тока (малое внутреннее сопротивление $r_1$), в то время как напряжение на солнечной батарее сильно зависит от тока нагрузки.

г) Сделайте общий вывод о различиях между химическим (гальванический элемент) и фотоэлектрическим (солнечная батарея) источниками тока, основываясь на их вольт-амперных характеристиках.

Ответ: Выводом работы является сравнение характеристик двух типов источников. Гальванический элемент является источником напряжения (его напряжение относительно стабильно в широком диапазоне токов), в то время как солнечная батарея в большей степени ведет себя как источник тока (вблизи режима короткого замыкания ток почти не меняется при изменении напряжения). У них принципиально разная форма ВАХ и разная зависимость отдаваемой мощности от нагрузки.