Овощные электрические цепи, страница 44, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 2. Глава 5. Электрический ток. Параграф 58. Лабораторные и исследовательские работы. Практические работы-исследование - страница 44.

Условие.

Практические работы-исследования

Изучаем электрический ток

«ОВОЩНЫЕ» ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЦЕПИ

Одной из основных частей всех гальванических элементов являются электролиты, т. е. растворы солей, кислот и щелочей. Поэтому в качестве природных («овощных») гальванических элементов можно использовать, например, солёные овощи или лимоны.

Цель работы

Изучить особенности протекания электрического тока в проводниках из овощей, проверить возможность использования «овощных» источников тока.

Ход работы

• В качестве оборудования можно использовать следующие приборы и материалы: источник постоянного тока (батарейка), наборы для изготовления «овощных» проводников (солёные и свежие огурцы, картошка, лимоны), медные и цинковые проволочки, миллиамперметр (цифровой мультиметр), микроамперметр (стрелочный прибор, снабжённый шкалой, позволяющей фиксировать изменение направления силы тока в цепи), коммутационная плата, набор медных проволочек с зачищенными концами для соединения «овощных» проводников, раствор поваренной соли, шприц, часы.

Опыт № 1

• Составьте цепь из последовательно соединённых 2–3 свежих огурцов и миллиамперметра. Соединение осуществите с помощью коммутационной платы и медных проволочек.
• Подключите цепь к источнику постоянного тока и пронаблюдайте характер изменения силы тока в цепи с течением времени.
• С помощью шприца введите в каждый из огурцов по нескольку миллилитров раствора поваренной соли.
• Результаты измерений зависимости силы тока от времени занесите в таблицу 1, начертив её в своей тетради.

Таблица 1

t, мин
I, мА

• На миллиметровой бумаге постройте график зависимости силы тока от времени $I(t)$.
• Объясните полученные результаты.

Опыт № 2

• С помощью шприца введите в свежий огурец 2–3 мл солевого раствора.
• Подключите овощной источник постоянного тока на время порядка 3–5 минут. Зафиксируйте направление тока в огурце с учётом полярности подключения к источнику.
• Отключите «овощной» проводник от источника и замкните его концы на микроамперметр.
• Обратите особое внимание на тот факт, что направление силы тока в огурце изменилось на противоположное.
• Результаты измерений зависимости силы «обратного тока» от времени занесите в таблицу 2 (в тетради).

Таблица 2

t, мин
I, мкА

• По данным таблицы 2 на миллиметровой бумаге постройте график зависимости силы «обратного тока» от времени.
• Принимая во внимание, что электрический ток в «овощном» проводнике создаётся направленным движением ионов $Na^+$ и $Cl^-$, оцените скорость диффузии ионов в огурце, зная его длину $\text{L}$ и время $\text{t}$ уменьшения «обратного тока» до нуля.
• Объясните результаты опыта № 2.

Опыт № 3

• Составьте электрическую цепь, источником в которой являются два солёных огурца, соединённых параллельно, а проводниками — свежий огурец и несколько помидоров, соединённых последовательно.
• Результаты измерений зависимости силы тока в этой цепи от времени занесите в таблицу 3 (в тетради).

Таблица 3

t, мин
I, мкА

• По данным таблицы 3 на миллиметровой бумаге постройте график зависимости силы тока от времени $I(t)$.
• По результатам измерений сделайте выводы.

Решение.

Опыт № 1

В ходе выполнения опыта собирается цепь из последовательно соединенных свежих огурцов, которые подключаются к источнику постоянного тока. Изначально сила тока в цепи очень мала, так как свежие огурцы имеют высокое электрическое сопротивление. После введения в огурцы раствора поваренной соли ($NaCl$) сила тока резко возрастает.

Примерные результаты измерений могут быть занесены в таблицу:

Таблица 1

t, мин	0 (до соли)	1 (после соли)	2	3	4
I, мА	0.1	5.2	5.0	4.8	4.6

График зависимости силы тока от времени $I(t)$ будет показывать очень низкое начальное значение тока, затем резкий скачок вверх после введения солевого раствора и последующее плавное снижение.

Объяснение полученных результатов:
Клеточный сок свежих огурцов является слабым электролитом, он содержит мало свободных ионов, поэтому проводимость огурцов низкая, а сопротивление – высокое. Раствор поваренной соли ($NaCl$) диссоциирует в воде на ионы $Na^{+}$ и $Cl^{-}$. Введение этого раствора в огурцы резко увеличивает концентрацию носителей заряда (ионов). Сопротивление электролита обратно пропорционально концентрации ионов, поэтому общее сопротивление огурцов значительно падает. Согласно закону Ома для участка цепи $I = U/R$, при неизменном напряжении источника $\text{U}$ уменьшение сопротивления $\text{R}$ приводит к резкому увеличению силы тока $\text{I}$. Дальнейшее медленное падение тока может быть связано с электрохимическими процессами на электродах (поляризация).

Ответ: При добавлении солевого раствора в огурцы их электрическое сопротивление резко падает из-за увеличения концентрации ионов (носителей заряда), что приводит к значительному росту силы тока в цепи.

Опыт № 2

В этом опыте соленый огурец сначала "заряжается" от источника постоянного тока, а затем, после отключения от источника, сам становится источником кратковременного тока, названного "обратным током". Этот ток регистрируется микроамперметром и постепенно затухает.

Примерные результаты измерений:

Таблица 2

t, мин	0	1	2	3	4
I, мкА	80	55	38	25	15

График зависимости "обратного тока" от времени $I(t)$ представляет собой кривую, которая начинается с максимального значения и плавно убывает, стремясь к нулю.

Принимая во внимание, что электрический ток в «овощном» проводнике создаётся направленным движением ионов $Na^{+}$ и $Cl^{-}$, оцените скорость диффузии ионов в огурце, зная его длину $\text{L}$ и время $\text{t}$ уменьшения «обратного тока» до нуля.

Дано:

$L = 15 \text{ см}$ (примерная длина огурца)
$t = 10 \text{ мин}$ (примерное время затухания тока)
Перевод в СИ:
$L = 0.15 \text{ м}$
$t = 10 \cdot 60 = 600 \text{ с}$

Найти:

$v_d$ – скорость диффузии ионов

Решение:

"Обратный ток" существует до тех пор, пока не исчезнет разделение зарядов, созданное внешним источником. Это происходит, когда ионы, скопившиеся у электродов, распространятся (диффундируют) по всему объему огурца. Можно считать, что для этого им нужно пройти расстояние порядка длины огурца $\text{L}$ за время $\text{t}$. Тогда скорость диффузии можно оценить по формуле:
$v_d = \frac{L}{t}$
$v_d = \frac{0.15 \text{ м}}{600 \text{ с}} = 0.00025 \text{ м/с} = 0.25 \text{ мм/с}$

Ответ: Оценочная скорость диффузии ионов составляет $0.25 \text{ мм/с}$.

Объясните результаты опыта № 2.
Наблюдаемое явление называется электролитической поляризацией. При подключении огурца к источнику тока положительные ионы $Na^{+}$ движутся к отрицательному электроду, а отрицательные $Cl^{-}$ – к положительному. У электродов скапливаются ионы, создавая разделение зарядов, подобно тому, как заряжается конденсатор. После отключения внешнего источника и замыкания цепи на микроамперметр, эти накопленные ионы начинают диффундировать обратно, стремясь к равномерному распределению. Это упорядоченное движение ионов и создает "обратный ток". По мере выравнивания концентрации ионов ток ослабевает и исчезает.

Ответ: Появление "обратного тока" объясняется явлением электролитической поляризации. Огурец с солевым раствором, через который пропустили ток, ведет себя как заряженный конденсатор или временный гальванический элемент, который разряжается при замыкании цепи.

Опыт № 3

В данном опыте собирается цепь, в которой источником тока являются два соленых огурца с электродами из разных металлов (гальваническая батарея), а нагрузкой – свежий огурец и помидоры. Ток в такой цепи будет очень слабым и будет уменьшаться со временем.

Примерные результаты измерений:

Таблица 3

t, мин	0	2	4	6	8
I, мкА	15	12	10	8	7

График $I(t)$ будет плавно убывающей кривой, что свидетельствует об уменьшении силы тока с течением времени.

По результатам измерений сделайте выводы.
1. Можно создать гальванический элемент (источник тока), используя в качестве электролита соленые овощи, а в качестве электродов – два разных металла (например, медь и цинк).
2. Возможно собрать полностью "овощную" электрическую цепь, где и источник, и нагрузка (сопротивление) сделаны из овощей.
3. "Овощные батареи" являются очень слабыми источниками тока. Они создают малую ЭДС и имеют большое внутреннее сопротивление, поэтому сила тока в цепи мала.
4. Сила тока, создаваемая "овощной батареей", со временем уменьшается. Это связано с расходованием химических реагентов (например, окислением цинкового электрода) и поляризацией электродов.

Ответ: Эксперимент показывает, что возможно создание полностью "овощной" электрической цепи. Однако такие источники тока крайне неэффективны: они создают очень малый ток, который к тому же быстро уменьшается со временем из-за высокого внутреннего сопротивления и протекания необратимых химических реакций.