Номер 15.40, страница 74 - гдз по физике 8 класс задачник Генденштейн, Кирик

Электромагнитные явления. 15. Сила тока и напряжение. Закон Ома для участка цепи - номер 15.40, страница 74.

Условие.

15.40. Как можно определить напряжение сети в квартире, используя любые приборы, кроме вольтметра?

Решение.

Определить напряжение сети без вольтметра можно несколькими косвенными способами, основанными на законах электродинамики и термодинамики. Ниже приведены два таких способа.

Определение напряжения с помощью амперметра и резистора

Этот способ основан на законе Ома для участка цепи. Для измерения нам понадобятся амперметр и потребитель электроэнергии с известным, чисто активным сопротивлением $\text{R}$ (например, калиброванный резистор или нагревательный элемент, ТЭН). Если сопротивление потребителя неизвестно, его можно предварительно измерить с помощью омметра.

Порядок действий:

1. Собрать электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных амперметра и резистора $\text{R}$.
2. Подключить собранную цепь к розетке. Внимание: проведение подобных измерений в бытовой сети крайне опасно для жизни и может привести к поражению электрическим током и пожару. Эксперимент должен проводиться только квалифицированным специалистом с соблюдением всех мер предосторожности.
3. Снять показания амперметра – это будет значение силы тока $\text{I}$, протекающего через резистор.
4. Используя закон Ома, рассчитать напряжение в сети по формуле:

$U = I \cdot R$

где $\text{U}$ – искомое напряжение, $\text{I}$ – измеренная сила тока, $\text{R}$ – известное сопротивление.

Ответ: Необходимо подключить к сети последовательно соединенные амперметр и резистор с известным сопротивлением $\text{R}$. Затем, измерив силу тока $\text{I}$ в цепи, рассчитать напряжение по формуле закона Ома $U = I \cdot R$.

Определение напряжения калориметрическим методом

Этот способ основан на законе Джоуля–Ленца, который описывает тепловое действие электрического тока. Для проведения эксперимента потребуются: амперметр, калориметр (или другой теплоизолированный сосуд, например, термос), вода, термометр, весы, секундомер и нагревательный элемент (например, кипятильник).

Порядок действий:

1. С помощью весов измерить массу воды $\text{m}$ и налить её в калориметр.
2. Измерить начальную температуру воды $T_1$ с помощью термометра.
3. Собрать цепь из последовательно соединенных нагревательного элемента и амперметра. Погрузить нагревательный элемент в воду.
4. Одновременно включить цепь в розетку и запустить секундомер. Зафиксировать показания амперметра $\text{I}$.
5. По истечении некоторого промежутка времени $\text{t}$ (засекается секундомером), отключить цепь от сети.
6. Перемешать воду в калориметре и измерить её конечную температуру $T_2$.
7. Рассчитать количество теплоты $\text{Q}$, полученное водой, по формуле: $Q = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1)$, где $\text{c}$ – удельная теплоемкость воды (приблизительно $4200 \frac{Дж}{кг \cdot °C}$).
8. Работа $\text{A}$, совершенная электрическим током за время $\text{t}$, равна: $A = U \cdot I \cdot t$.
9. При условии, что вся электрическая энергия пошла на нагрев воды (пренебрегая потерями тепла), можно приравнять работу и количество теплоты: $A = Q$.
10. Из равенства $U \cdot I \cdot t = c \cdot m \cdot (T_2 - T_1)$ выразить искомое напряжение $\text{U}$:

$U = \frac{c \cdot m \cdot (T_2 - T_1)}{I \cdot t}$

Ответ: С помощью амперметра, калориметра, термометра, весов и секундомера измерить параметры процесса нагрева воды электрическим током: силу тока $\text{I}$, время нагрева $\text{t}$, массу воды $\text{m}$ и изменение её температуры $(T_2 - T_1)$. Затем рассчитать напряжение по формуле $U = \frac{c \cdot m \cdot (T_2 - T_1)}{I \cdot t}$.