Номер 4, страница 214 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. II. Эксперимент и моделирование — основные физические методы исследования природы - номер 4, страница 214.

Условие.

• Экспериментальное исследование простейшей электрической цепи с помощью цифрового мультиметра.

Решение.

Экспериментальное исследование простейшей электрической цепи с помощью цифрового мультиметра представляет собой лабораторную работу, целью которой является проверка основных законов электротехники и приобретение навыков работы с измерительными приборами. Ниже представлен подробный план проведения такого исследования.

Цель работы

Освоение методики измерения основных электрических величин (силы тока, напряжения, сопротивления) с помощью цифрового мультиметра, сборка простейшей электрической цепи и экспериментальная проверка закона Ома для участка цепи.

Оборудование

1. Источник питания постоянного тока (батарея, аккумулятор или лабораторный блок питания).
2. Резистор (постоянного сопротивления).
3. Цифровой мультиметр.
4. Соединительные провода.
5. Ключ (выключатель).

Теоретические сведения

Простейшая электрическая цепь состоит из источника электрической энергии (источника ЭДС), потребителя (нагрузки, например, резистора) и соединительных проводов, по которым протекает электрический ток. Основными характеристиками цепи являются сила тока $\text{I}$, напряжение $\text{U}$ и сопротивление $\text{R}$.

Сила тока – это скалярная величина, равная отношению заряда $\text{q}$, прошедшего через поперечное сечение проводника за интервал времени $\text{t}$, к этому интервалу. Единица измерения – Ампер (А). Амперметр (мультиметр в режиме измерения тока) включается в цепь последовательно.

Напряжение (или разность потенциалов) на участке цепи – это физическая величина, равная работе, совершаемой электрическим полем при перемещении единичного положительного заряда по этому участку. Единица измерения – Вольт (В). Вольтметр (мультиметр в режиме измерения напряжения) подключается параллельно тому участку цепи, на котором измеряется напряжение.

Сопротивление – это свойство проводника ограничивать силу тока в цепи. Единица измерения – Ом (Ом). Омметр (мультиметр в режиме измерения сопротивления) подключается к выводам элемента, сопротивление которого измеряется, при этом элемент должен быть отключен от остальной цепи.

Связь между этими тремя величинами для участка цепи устанавливает закон Ома: сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.
$I = \frac{U}{R}$

Порядок выполнения работы

1. Измерение сопротивления резистора

Перед сборкой цепи необходимо измерить фактическое сопротивление используемого резистора. Это значение будет считаться эталонным для дальнейших расчетов.

1. Установите переключатель режимов мультиметра в сектор измерения сопротивления (Ω). Если прибор не имеет автоматического выбора диапазона, выберите предел измерения, который заведомо больше номинального сопротивления резистора.
2. Подключите измерительные щупы мультиметра к выводам резистора. Измерение необходимо проводить, когда резистор не подключен ни к какой схеме.
3. Запишите показание с дисплея мультиметра. Это измеренное значение сопротивления $R_{изм}$.

Ответ: Проведено прямое измерение сопротивления резистора с помощью мультиметра в режиме омметра, получено значение $R_{изм}$.

2. Сборка электрической цепи и измерение силы тока и напряжения

На этом этапе собирается электрическая цепь и проводятся измерения рабочих параметров.

1. Соберите электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника питания, ключа, резистора и мультиметра в режиме амперметра (режим A= или DCA). Соблюдайте полярность: «+» источника должен быть соединен с «+» амперметра.
2. Второй мультиметр (или тот же, но переключенный в режим вольтметра, режим V= или DCV) подключите параллельно резистору для измерения напряжения на нем. Щупы вольтметра подключаются к выводам резистора, также с соблюдением полярности.
3. Убедитесь в правильности сборки схемы и только после этого замкните ключ.
4. Одновременно снимите показания силы тока $\text{I}$ с амперметра и напряжения $\text{U}$ с вольтметра.
5. Занесите полученные данные в заранее подготовленную таблицу.
6. Разомкните ключ.

Ответ: Собрана простейшая электрическая цепь, и измерены сила тока $\text{I}$, протекающего через резистор, и падение напряжения $\text{U}$ на нем.

3. Проверка закона Ома и расчет погрешности

На основе полученных данных проводится проверка справедливости закона Ома.

1. Используя измеренные значения силы тока $\text{I}$ и напряжения $\text{U}$, рассчитайте сопротивление резистора по закону Ома: $R_{расч} = \frac{U}{I}$.
2. Сравните расчетное значение сопротивления $R_{расч}$ со значением $R_{изм}$, измеренным ранее омметром.
3. Рассчитайте относительную погрешность эксперимента, которая покажет, насколько расчетное значение отличается от измеренного:
$\epsilon = \left| \frac{R_{расч} - R_{изм}}{R_{изм}} \right| \cdot 100\%$
4. Если есть возможность изменять напряжение источника питания, повторите пункты 2 и 3 для нескольких различных значений напряжения, каждый раз занося результаты в таблицу.

Ответ: Выполнена проверка закона Ома путем сравнения значения сопротивления, полученного косвенным методом (расчетом по формуле $R = U/I$), со значением, полученным прямым измерением. Рассчитана относительная погрешность эксперимента.

Выводы

По завершении всех измерений и расчетов необходимо сформулировать вывод. В выводе следует указать, была ли достигнута цель работы. Сравните $R_{расч}$ и $R_{изм}$. Если относительная погрешность $\epsilon$ не превышает погрешности измерительных приборов (обычно несколько процентов), можно сделать вывод, что закон Ома для участка цепи экспериментально подтверждается.

Также следует проанализировать возможные источники погрешности, такие как: класс точности мультиметра, погрешность считывания показаний, влияние внутреннего сопротивления источника тока и самих измерительных приборов, изменение сопротивления резистора из-за его нагрева во время работы.