Экспериментальное задание 13.1, страница 59 - гдз по физике 8 класс учебник Кабардин

Экспериментальное задание 13.1

Работаем самостоятельно

Исследование зависимости электрического сопротивления нити электрической лампы от силы тока

Оборудование: источник постоянного тока, электрическая лампа, амперметр, вольтметр, реостат, соединительные провода, ключ.

Исследуйте, зависит ли электрическое сопротивление нити лампы от силы тока в ней.

Порядок выполнения задания

1. Соберите электрическую цепь по схеме, изображённой на рисунке 13.7.

2. Замкните ключ и реостатом установите значение напряжения $\text{U}$ на лампе 1,0 В. Определите силу тока $\text{I}$ через нить лампы при этом напряжении и вычислите электрическое сопротивление $\text{R}$. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

3. Такие же измерения и вычисления выполните для значений напряжения на нити лампы 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5 В. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

Рис. 13.7

Таблица 13.1

U, B | 1,0 | 1,5 | 2,0 | 2,5 | 3,0 | 3,5

I, A | | | | | |

R, Ом | | | | | |

4. Постройте график зависимости электрического сопротивления нити лампы от силы тока. Объясните полученный результат.

1-3. Сборка цепи, проведение измерений и заполнение таблицы

В соответствии с пунктом 1 задания, собирается электрическая цепь по схеме на рисунке 13.7. Цепь состоит из источника постоянного тока, ключа, реостата, амперметра, вольтметра и исследуемой электрической лампы. Амперметр включен в цепь последовательно с лампой для измерения силы тока $\text{I}$, а вольтметр — параллельно лампе для измерения напряжения $\text{U}$ на ней.

Согласно пунктам 2 и 3, с помощью реостата последовательно устанавливаются значения напряжения на лампе, указанные в таблице. Для каждого значения напряжения измеряется сила тока, проходящего через нить накала. Поскольку это теоретическое выполнение лабораторной работы, мы используем примерные, но реалистичные значения силы тока, которые можно было бы получить в ходе эксперимента. Электрическое сопротивление $\text{R}$ для каждого случая вычисляется по закону Ома для участка цепи.

Дано:

Значения напряжения, установленные на лампе:

$U_1 = 1.0$ В

$U_2 = 1.5$ В

$U_3 = 2.0$ В

$U_4 = 2.5$ В

$U_5 = 3.0$ В

$U_6 = 3.5$ В

Примерные результаты измерений силы тока (данные в СИ):

$I_1 = 0.20$ А

$I_2 = 0.28$ А

$I_3 = 0.35$ А

$I_4 = 0.41$ А

$I_5 = 0.46$ А

$I_6 = 0.51$ А

Найти:

Сопротивления нити лампы $R_1, R_2, R_3, R_4, R_5, R_6$ для каждого измерения.

Решение:

Вычисляем сопротивление нити лампы для каждого измерения по формуле закона Ома: $R = U/I$.

$R_1 = U_1 / I_1 = 1.0 \text{ В} / 0.20 \text{ А} = 5.00$ Ом

$R_2 = U_2 / I_2 = 1.5 \text{ В} / 0.28 \text{ А} \approx 5.36$ Ом

$R_3 = U_3 / I_3 = 2.0 \text{ В} / 0.35 \text{ А} \approx 5.71$ Ом

$R_4 = U_4 / I_4 = 2.5 \text{ В} / 0.41 \text{ А} \approx 6.10$ Ом

$R_5 = U_5 / I_5 = 3.0 \text{ В} / 0.46 \text{ А} \approx 6.52$ Ом

$R_6 = U_6 / I_6 = 3.5 \text{ В} / 0.51 \text{ А} \approx 6.86$ Ом

Заполняем таблицу 13.1 полученными и вычисленными значениями.

Ответ: Результаты измерений и вычислений внесены в таблицу. Сопротивление нити лампы изменяется от 5,00 Ом до 6,86 Ом в данном диапазоне напряжений и токов.

4. Построение графика и объяснение результата

Решение:

Строим график зависимости электрического сопротивления нити лампы $\text{R}$ от силы тока $\text{I}$. По оси абсцисс (горизонтальной) откладываем силу тока $\text{I}$ в амперах, а по оси ординат (вертикальной) — сопротивление $\text{R}$ в омах. Нанеся на координатную плоскость точки с координатами $(I; R)$ из таблицы и соединив их плавной линией, мы получим искомый график.

Точки для построения графика: (0,20; 5,00), (0,28; 5,36), (0,35; 5,71), (0,41; 6,10), (0,46; 6,52), (0,51; 6,86).

График представляет собой восходящую кривую линию. Это означает, что с увеличением силы тока сопротивление нити накала лампы возрастает. Зависимость $\text{R}$ от $\text{I}$ не является линейной, а сама лампа не является омическим сопротивлением (то есть не подчиняется закону Ома для участка цепи с постоянным сопротивлением).

Объяснение результата:

Полученный результат объясняется зависимостью сопротивления металлов от температуры. Нить накала лампы (обычно из вольфрама) является металлическим проводником. При прохождении через нее электрического тока, согласно закону Джоуля-Ленца, выделяется количество теплоты: $Q = I^2Rt$. Это приводит к сильному нагреву нити — она раскаляется до высокой температуры и начинает светиться.

Сопротивление металлов увеличивается с ростом температуры. Это связано с тем, что при нагревании усиливается тепловое движение ионов в узлах кристаллической решетки металла. В результате увеличивается частота столкновений свободных электронов (носителей тока) с ионами решетки, что создает большее препятствие для их упорядоченного движения. Эта зависимость приближенно описывается формулой $R = R_0(1 + \alpha \Delta T)$, где $R_0$ — сопротивление при начальной температуре, $\Delta T$ — изменение температуры, а $\alpha$ — температурный коэффициент сопротивления (для вольфрама $\alpha > 0$).

Таким образом, увеличение силы тока $\text{I}$ ведет к росту температуры $\text{T}$ нити накала, что, в свою очередь, вызывает увеличение ее электрического сопротивления $\text{R}$.

Ответ: Электрическое сопротивление нити лампы зависит от силы тока в ней: с увеличением силы тока сопротивление возрастает. Это происходит из-за нагрева нити и, как следствие, увеличения сопротивления металла (вольфрама) при повышении температуры.