Номер 6, страница 171, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Лабораторные работы - номер 6, страница 171.

Условие.

6. Исследование вольтамперной характеристики лампы накаливания¹

Цель работы: проверить справедливость гипотезы «Сила тока в лампе накаливания пропорциональна напряжению на ней».

Оборудование: источник тока, ключ, лампочка на подставке, амперметр, вольтметр (или цифровые датчики тока и напряже- ния), реостат, соединительные провода.

Подготовка к работе

Прочитайте описание работы и повторите § 18, п. 3.

Содержание работы

В данной работе измеряют силу тока в лампочке при различных значениях напряжения на ней. Затем анализируют результаты измерений с целью проверить справедливость сформулированной гипотезы.

Ход работы

• Соберите электрическую цепь (рис. 2).

• Изменяя каждый раз сопротивление реостата примерно на одну и ту же величину, измерьте силу тока в лампочке при пяти различных значениях напряжения на ней. Запишите показания приборов с указанием погрешностей в таблицу.

№ опыта	$U, \text{В}$	$I, \text{А}$

• Начертите оси координат для графика $I(U)$, выберите удобные масштабы по осям и нанесите на координатную плоскость результаты измерений с указанием погрешностей (в виде прямоугольников).

• Используя прозрачную линейку, проверьте справедливость сформулированной гипотезы, то есть определите, можно ли провести прямую так, чтобы она проходила через все прямоугольники и через начало координат. Запишите вывод.

• Используя результаты измерений, постройте примерный график зависимости силы тока в лампочке от напряжения на ней.

Рис. 2

Решение.

Соберите электрическую цепь (рис. 2).

Электрическая цепь собирается в соответствии со схемой, представленной на рисунке 2. Источник тока, ключ, реостат, амперметр и лампа накаливания соединяются последовательно. Вольтметр подключается параллельно к клеммам лампы накаливания для измерения напряжения на ней. Амперметр включается в цепь последовательно для измерения силы тока, проходящего через лампу. Реостат используется для изменения общего сопротивления цепи и, как следствие, для регулировки напряжения на лампе и силы тока в цепи.

Ответ: Электрическая цепь собрана согласно схеме на рис. 2.

Изменяя каждый раз сопротивление реостата примерно на одну и ту же величину, измерьте силу тока в лампочке при пяти различных значениях напряжения на ней. Запишите показания приборов с указанием погрешностей в таблицу.

С помощью ползунка реостата изменяем сопротивление в цепи, добиваясь различных показаний вольтметра. Для каждого установленного значения напряжения $\text{U}$ записываем соответствующее значение силы тока $\text{I}$, которое показывает амперметр. Проводим пять таких измерений. Погрешности измерений принимаем равными половине цены деления шкалы приборов (для аналоговых) или согласно паспорту прибора (для цифровых). Например, пусть погрешность измерения напряжения $\Delta U = 0.1$ В, а погрешность измерения силы тока $\Delta I = 0.01$ А. Результаты измерений заносим в таблицу.

№ опыта	Напряжение $U \pm \Delta U$, В	Сила тока $I \pm \Delta I$, А	Сопротивление $R = U/I$, Ом
1	$1.0 \pm 0.1$	$0.20 \pm 0.01$	5.0
2	$2.0 \pm 0.1$	$0.33 \pm 0.01$	6.1
3	$3.0 \pm 0.1$	$0.40 \pm 0.01$	7.5
4	$4.0 \pm 0.1$	$0.44 \pm 0.01$	9.1
5	$5.0 \pm 0.1$	$0.45 \pm 0.01$	11.1

Ответ: Результаты пяти измерений напряжения на лампе и силы тока в ней с учетом погрешностей представлены в таблице.

Начертите оси координат для графика $I(U)$, выберите удобные масштабы по осям и нанесите на координатную плоскость результаты измерений с указанием погрешностей (в виде прямоугольников).

Строим систему координат. Горизонтальную ось (ось абсцисс) обозначаем $\text{U}$, В, а вертикальную (ось ординат) — $\text{I}$, А. Выбираем такой масштаб, чтобы все полученные экспериментальные точки поместились на графике и он был достаточно крупным для анализа. Например, по оси $\text{U}$ одна клетка может соответствовать 0.5 В, а по оси $\text{I}$ — 0.05 А. Для каждой пары значений $(U_i, I_i)$ из таблицы строим на графике точку. Вокруг каждой точки чертим прямоугольник погрешностей, центр которого совпадает с точкой. Ширина прямоугольника равна удвоенной погрешности напряжения ($2\Delta U$), а высота — удвоенной погрешности силы тока ($2\Delta I$).

Ответ: На координатной плоскости $I(U)$ построены 5 точек, соответствующих результатам измерений, и для каждой точки построен прямоугольник погрешностей.

Используя прозрачную линейку, проверьте справедливость сформулированной гипотезы, то есть определите, можно ли провести прямую так, чтобы она проходила через все прямоугольники и через начало координат. Запишите вывод.

Гипотеза утверждает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению, т.е. $I = kU$, где $\text{k}$ - константа. Графиком такой зависимости является прямая линия, проходящая через начало координат. Прикладывая линейку к построенному графику, мы пытаемся провести такую прямую. Видно, что невозможно провести одну прямую линию так, чтобы она одновременно прошла через начало координат (точку (0,0)) и через все прямоугольники погрешностей. Экспериментальные точки образуют кривую, а не прямую. Следовательно, гипотеза не подтверждается.

Вывод: Зависимость силы тока в лампе накаливания от напряжения на ней не является прямой пропорциональностью. Сопротивление лампы не является постоянной величиной, оно зависит от напряжения (и, следовательно, от температуры нити накала). Таким образом, закон Ома для участка цепи в форме $I = U/R$ применим, но с оговоркой, что сопротивление $\text{R}$ не является константой.

Ответ: Проведенный анализ показывает, что гипотеза о прямой пропорциональности силы тока напряжению для лампы накаливания неверна.

Используя результаты измерений, постройте примерный график зависимости силы тока в лампочке от напряжения на ней.

Соединяя экспериментальные точки на графике плавной линией, мы получаем вольт-амперную характеристику (ВАХ) лампы накаливания. Этот график представляет собой кривую, которая начинается в точке (0,0). С увеличением напряжения наклон кривой к оси напряжений уменьшается. Это означает, что приращение тока становится все меньше при одинаковом приращении напряжения. Такое поведение графика объясняется тем, что с ростом напряжения и силы тока нить накала лампы сильно нагревается. Электрическое сопротивление металлов (в данном случае вольфрама, из которого сделана нить) увеличивается с ростом температуры. Как видно из расчетного столбца в таблице, сопротивление $R = U/I$ растет от 5.0 Ом до 11.1 Ом по мере увеличения напряжения. Из-за этого роста сопротивления сила тока растет медленнее, чем напряжение, и график зависимости $I(U)$ изгибается.

Ответ: График зависимости силы тока от напряжения для лампы накаливания (вольт-амперная характеристика) является нелинейным. Он представляет собой кривую, выходящую из начала координат, наклон которой к оси напряжений уменьшается с ростом напряжения. Это связано с увеличением сопротивления нити накала лампы при её нагревании.