Номер 1, страница 178, часть 2 - гдз по физике 8 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Задания для проектно-исследовательской деятельности. Глава III. Электрические явления - номер 1, страница 178.

Условие.

1. Как изготовить источник тока в домашних условиях?

Цель: изготовить в домашних условиях батарею гальванических элементов.

Для изготовления батареи гальванических элементов и проверки её работы можно взять: цинковую пластинку из отслужившей свой срок батарейки (её стаканчик сделан из цинка), кусок медной проволоки длиной 7–8 см и диаметром 1,5–2,5 мм, соединительные провода, три лимона, светодиод.

Расплющив молотком медную проволоку, сделайте из неё небольшие пластинки.

Светодиод можно взять из брелока для ключей со светодиодным фонариком или купить в магазине. Рабочее напряжение светодиода должно быть равным 2–3 В (в таком случае напряжение его зажигания будет около одного вольта).

Для изготовления гальванического источника тока потребуется три медных и три цинковых пластинки.

Ножом проделайте параллельные надрезы в кожуре каждого лимона и вставьте в них пластинки. Медная и цинковая пластинки должны быть как можно ближе одна к другой. Очень важно, чтобы эти пластинки (электроды) не касались друг друга ни внутри лимона, ни снаружи!

На фотографии (рис. 1) показана собранная, замкнутая цепь со светящимся светодиодом.

Рис. 1

Исследуйте изменение яркости свечения светодиода в зависимости от: расстояния между электродами, вставленными в лимоны, а также от числа лимонов. Проверьте: какие ещё овощи и фрукты можно использовать для создания источников тока?

Решение.

1. Как изготовить источник тока в домашних условиях?

Для создания гальванического элемента (источника тока) в домашних условиях, как описано в задании, необходимо выполнить следующие шаги:

Подготовка материалов:

1. Электроды: Потребуются два разных металла. В качестве одного электрода (катода) используется медная проволока, которую следует расплющить молотком для увеличения площади поверхности. В качестве второго электрода (анода) используется цинковая пластинка. Её можно извлечь из корпуса старой солевой батарейки (типа "пальчиковой" или "мизинчиковой"). Необходимо подготовить по три медных и три цинковых электрода.

2. Электролит: В качестве электролита выступает сок лимона. Потребуется три лимона.

3. Нагрузка: Светодиод, например, из брелока. Его рабочее напряжение должно быть в диапазоне 2–3 В.

4. Проводники: Соединительные провода для сборки электрической цепи.

Сборка батареи:

1. В каждом из трех лимонов сделайте ножом по два параллельных надреза.

2. В эти надрезы вставьте по одной медной и одной цинковой пластинке. Пластинки должны быть расположены как можно ближе друг к другу, но не должны соприкасаться ни внутри лимона, ни снаружи. Каждый лимон с парой электродов представляет собой отдельный гальванический элемент.

3. Соедините элементы последовательно. Для этого соединительным проводом подключите цинковую пластинку первого лимона к медной пластинке второго, а цинковую пластинку второго — к медной пластинке третьего.

4. У вас останутся свободными медная пластинка на первом лимоне (положительный полюс, "+") и цинковая пластинка на третьем лимоне (отрицательный полюс, "−").

5. Подключите светодиод к этим свободным электродам. Длинный вывод светодиода (анод) подключается к положительному полюсу (медной пластинке), а короткий (катод) — к отрицательному (цинковой пластинке). Если светодиод не загорается, попробуйте поменять полярность подключения.

В результате сборки цепи светодиод должен загореться, что демонстрирует работу созданного источника тока.

Ответ: Для изготовления источника тока нужно взять три лимона, три медные и три цинковые пластинки (электроды), светодиод и соединительные провода. В каждый лимон вставляются медная и цинковая пластинки. Затем лимоны соединяются последовательно (цинк одного к меди другого), а к крайним свободным электродам подключается светодиод.

Исследуйте изменение яркости свечения светодиода в зависимости от: расстояния между электродами, вставленными в лимоны, а также от числа лимонов. Проверьте: какие ещё овощи и фрукты можно использовать для создания источников тока?

Зависимость яркости от расстояния между электродами:

Лимонный сок в данном случае является электролитом и обладает определённым электрическим сопротивлением. Это сопротивление является внутренним сопротивлением $\text{r}$ гальванического элемента. Оно зависит от расстояния $\text{l}$ между электродами и их площади $\text{S}$ по формуле: $r = \rho \frac{l}{S}$, где $\rho$ — удельное сопротивление электролита. Из формулы видно, что чем больше расстояние $\text{l}$ между электродами, тем больше внутреннее сопротивление элемента. Согласно закону Ома для полной цепи, сила тока $\text{I}$ обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи: $I = \frac{\mathcal{E}}{R+r}$, где $\mathcal{E}$ — ЭДС источника, $\text{R}$ — внешнее сопротивление (светодиода). Увеличение внутреннего сопротивления $\text{r}$ приведёт к уменьшению силы тока $\text{I}$. Яркость свечения светодиода напрямую зависит от силы протекающего через него тока. Следовательно, при увеличении расстояния между электродами яркость светодиода будет уменьшаться, а при уменьшении расстояния — увеличиваться.

Ответ: Яркость свечения светодиода обратно пропорциональна расстоянию между электродами. Чем меньше расстояние между медной и цинковой пластинками в лимоне, тем ярче будет светить светодиод, так как уменьшается внутреннее сопротивление источника тока.

Зависимость яркости от числа лимонов:

На рисунке показано последовательное соединение гальванических элементов (лимонов). При последовательном соединении $\text{n}$ одинаковых источников их общая электродвижущая сила (ЭДС) $\mathcal{E}_{общ}$ и общее внутреннее сопротивление $r_{общ}$ равны сумме ЭДС и внутренних сопротивлений каждого элемента соответственно: $\mathcal{E}_{общ} = n \cdot \mathcal{E}$, $r_{общ} = n \cdot r$. Сила тока в цепи определяется по формуле: $I = \frac{\mathcal{E}_{общ}}{R+r_{общ}} = \frac{n \cdot \mathcal{E}}{R + n \cdot r}$. Один лимонный элемент создает напряжение около 0,9–1 В, что может быть недостаточно для зажигания светодиода (требуется 2–3 В). Увеличение числа лимонов $\text{n}$ приводит к росту общей ЭДС. Хотя общее внутреннее сопротивление также растет, увеличение ЭДС является доминирующим фактором. Это приводит к увеличению напряжения на светодиоде и, как следствие, к увеличению силы тока через него. Поэтому, чем больше лимонов будет соединено последовательно, тем ярче будет светиться светодиод (до определённого предела, ограниченного характеристиками светодиода).

Ответ: Яркость свечения светодиода будет увеличиваться с ростом числа последовательно соединённых лимонов, так как при этом увеличивается общее напряжение (ЭДС) батареи.

Использование других овощей и фруктов:

Для создания гальванического элемента необходимы два разнородных металла-электрода и электролит. Электролитом может служить сок многих фруктов и овощей, так как он содержит кислоты или соли, которые в воде диссоциируют на ионы. Чем выше кислотность (или содержание солей), тем лучше сок проводит электрический ток и тем эффективнее будет работать такой источник.

Примеры подходящих овощей и фруктов:

• Фрукты: апельсины, грейпфруты, лаймы (любые цитрусовые), яблоки (особенно кислых сортов), ананасы, киви, помидоры.

• Овощи: картофель (очень популярный вариант из-за содержания фосфорной кислоты), лук, солёные огурцы (содержат уксусную кислоту и соль), квашеная капуста.

Ответ: Для создания источников тока можно использовать практически любые сочные овощи и фрукты, содержащие кислоту или соль. Например: картофель, яблоки, апельсины, помидоры, солёные огурцы.