Номер 4, страница 30 - гдз по физике 11 класс тетрадь для лабораторных работ Парфентьева

Лабораторная работа № 5. Определение максимальной мощности химической и солнечной батарей - номер 4, страница 30.

Условие.

4. Расчёты

По результатам измерений постройте зависимость выделяемой мощности от силы тока.

Определите значение максимальной мощности. Для двух источников вычислите отношение максимальной мощности к произведению максимального тока на ЭДС батареи — коэффициент $Кф$, который принято называть формфактором. Произведение ЭДС на ток короткого замыкания равно мощности идеального, гипотетического источника мощности, в котором нет внутренних потерь мощности.

Результаты поместите в таблицу 5.3.

Таблица 5.3. Результаты вычислений

№ опыта	$\text{ЭДС, В}$	$I_{\text{max}}\text{, А}$	$N_{\text{max}}\text{,}$ (график)	$\text{ЭДС} \cdot I_{\text{max}}\text{, Вт}$	$Кф$
Хим. батарея
Солн. элемент	—

Решение.

Дано:

Результаты измерений зависимости выделяемой мощности $N$ от силы тока $I$ для двух источников: химической батареи и солнечного элемента. (Эти данные должны быть получены в ходе эксперимента).

Для каждого источника известны значения ЭДС ($E$) и максимального тока (тока короткого замыкания, $I_{max} = I_{кз}$).

(Поскольку конкретные числовые данные в задании отсутствуют, решение будет представлено в общем виде с подробным алгоритмом действий и гипотетическим примером.)

Найти:

1. Построить графическую зависимость $N(I)$ для каждого источника.

2. Определить максимальную мощность $N_{max}$ для каждого источника.

3. Рассчитать коэффициент Кф (формфактор) для каждого источника.

4. Заполнить таблицу 5.3 результатами вычислений.

Решение:

По результатам измерений постройте зависимость выделяемой мощности от силы тока.

Для построения графика необходимо использовать ваши экспериментальные данные. На оси абсцисс (горизонтальной) отложите значения силы тока $I$ в Амперах (А), а на оси ординат (вертикальной) — соответствующие значения выделяемой мощности $N$ в Ваттах (Вт). Выберите подходящий масштаб для обеих осей, чтобы все точки уместились на графике и были хорошо различимы. После нанесения всех экспериментальных точек $(I_i, N_i)$ на координатную плоскость, соедините их плавной линией. Теоретически, для химической батареи эта зависимость описывается параболой $N(I) = E \cdot I - r \cdot I^2$, где $E$ – ЭДС, а $r$ – внутреннее сопротивление. Поэтому кривая должна напоминать параболу с ветвями, направленными вниз. Постройте такие графики для обоих источников: химической батареи и солнечного элемента.

Определите значение максимальной мощности.

Максимальная мощность $N_{max}$ на графике соответствует вершине (самой высокой точке) построенной кривой. Найдите эту точку на графике. Проведите из неё перпендикуляр на ось ординат (ось мощности). Точка пересечения перпендикуляра с осью даст вам искомое значение максимальной мощности $N_{max}$. Проделайте эту процедуру для обоих графиков и запишите найденные значения $N_{max}$ в соответствующую колонку таблицы 5.3 («Nmax, (график)»).

Для двух источников вычислите отношение максимальной мощности к произведению максимального тока на ЭДС батареи — коэффициент Кф, который принято называть формфактором. Результаты поместите в таблицу 5.3.

Этот пункт объединяет последние шаги расчётов и заполнение таблицы. Выполните следующие действия для каждого из двух источников (химической батареи и солнечного элемента).

1. Заполнение таблицы исходными данными: Внесите в таблицу 5.3 измеренные вами значения ЭДС (в Вольтах) и максимального тока $I_{max}$ (в Амперах). Под максимальным током $I_{max}$ в данном контексте понимается ток короткого замыкания $I_{кз}$.

2. Внесение $N_{max}$ в таблицу: Внесите в столбец «Nmax, (график)» значение максимальной мощности, определённое по графику на предыдущем шаге.

3. Расчёт произведения $ЭДС \cdot I_{max}$: Для каждого источника вычислите произведение его ЭДС на максимальный ток. Это значение представляет собой мощность гипотетического "идеального" источника, у которого отсутствуют внутренние потери. Результат занесите в столбец «ЭДС · Imax, Вт».

4. Расчёт формфактора Кф: Формфактор вычисляется по формуле, указанной в задании:

$K_ф = \frac{N_{max}}{ЭДС \cdot I_{max}}$

Разделите значение максимальной мощности $N_{max}$ (из столбца «Nmax, (график)») на вычисленное произведение $ЭДС \cdot I_{max}$. Полученное безразмерное число и есть коэффициент Кф. Внесите его в последний столбец таблицы.

Пример расчёта для гипотетической химической батареи:

Допустим, в ходе эксперимента для батареи были получены следующие данные:

ЭДС = 1.5 В.

$I_{max}$ (ток короткого замыкания) = 3.0 А.

По построенному графику зависимости $N(I)$ было определено, что максимальная мощность составляет $N_{max} = 1.12$ Вт.

Заполним строку для химической батареи в таблице 5.3:

• ЭДС, В: 1.5

• Imax, A: 3.0

• Nmax, (график): 1.12

• ЭДС · Imax, Вт: Рассчитаем произведение: $1.5 \text{ В} \cdot 3.0 \text{ А} = 4.5 \text{ Вт}$.

• Кф: Рассчитаем формфактор: $K_ф = \frac{1.12 \text{ Вт}}{4.5 \text{ Вт}} \approx 0.249$.

Для идеального источника с постоянным внутренним сопротивлением (хорошая модель для химической батареи) теоретическое значение формфактора равно 0.25. Ваш экспериментальный результат для батареи должен быть близок к этому значению. Для солнечного элемента формфактор обычно значительно выше (в диапазоне 0.5 – 0.85), так как его вольт-амперная характеристика имеет другую, нелинейную форму.

После проведения всех расчётов для обоих источников ваша таблица 5.3 будет полностью заполнена.

Ответ:

Ответом на данное задание являются построенный график зависимости мощности от силы тока для каждого источника и полностью заполненная таблица 5.3 с результатами вычислений максимальной мощности $N_{max}$, произведения $ЭДС \cdot I_{max}$ и формфактора $К_ф$. Поскольку числовые данные измерений не предоставлены, окончательный ответ должен быть получен на основе ваших собственных экспериментальных данных, следуя приведенному выше алгоритму.