Задание, страница 157 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

Возьмите две лампочки для карманного фонаря и подключите их к батарейке сначала параллельно, затем последовательно. Вместо проводов можете использовать алюминиевую фольгу. Вам потребуются и другие материалы, возможно, картон, пластилин или нечто совсем необычное. Расскажите о результатах вашей конструкторской работы.

В рамках данного задания необходимо провести экспериментальную сборку двух электрических цепей и проанализировать результаты. Для этого понадобятся: батарейка (например, 4.5 В), две одинаковые лампочки для карманного фонаря, алюминиевая фольга в качестве проводников, картон как основа и пластилин для фиксации.

Решение

Рассмотрим два варианта подключения лампочек к батарейке.

Сначала соберем цепь с параллельным соединением. Для этого нужно создать две параллельные ветви, в каждой из которых находится по одной лампочке.

Процесс сборки:

1. На картонной основе закрепляем батарейку.
2. От положительного полюса (+) батарейки прокладываем одну широкую полоску фольги.
3. Эту полоску разветвляем на две, каждая из которых подводится к одному из контактов (например, боковому) своей лампочки.
4. От вторых контактов (центральных) обеих лампочек прокладываем две полоски фольги, которые затем соединяются в одну общую.
5. Эту общую полоску фольги подключаем к отрицательному полюсу (-) батарейки.
6. Для надежности контакты можно прижать пластилином.

Результат наблюдения: Обе лампочки загораются и светят ярко. Их яркость практически не отличается от яркости одной такой же лампочки, подключенной к той же батарейке.

Физическое объяснение: При параллельном соединении напряжение на каждом элементе цепи одинаково и равно напряжению источника тока. Если напряжение батарейки равно $U$, а сопротивления одинаковых лампочек равны $R_1 = R_2 = R$, то:

• Напряжение на каждой лампочке: $U_1 = U_2 = U$.
• Сила тока, протекающего через каждую лампочку, согласно закону Ома: $I_1 = U_1/R_1 = U/R$ и $I_2 = U_2/R_2 = U/R$.
• Яркость свечения определяется мощностью: $P = U \cdot I = U^2/R$. Так как на каждую лампочку подается полное напряжение батарейки, они светят с максимальной для данных условий яркостью.
• Общий ток, потребляемый от батарейки, равен сумме токов в ветвях: $I_{общ} = I_1 + I_2 = 2U/R$. Это значит, что батарейка будет разряжаться в два раза быстрее по сравнению с цепью, где подключена всего одна лампочка.

Ответ: При параллельном соединении обе лампочки горят ярко, так как к каждой из них приложено полное напряжение источника питания.

Теперь соберем цепь, в которой лампочки соединены последовательно, то есть одна за другой.

Процесс сборки:

1. От положительного полюса (+) батарейки прокладываем полоску фольги к одному из контактов первой лампочки.
2. От второго контакта первой лампочки прокладываем полоску фольги к одному из контактов второй лампочки.
3. От оставшегося свободного контакта второй лампочки прокладываем полоску фольги к отрицательному полюсу (-) батарейки.

Результат наблюдения: Обе лампочки загораются, но светят очень тускло, намного слабее, чем в предыдущем опыте. Если выкрутить одну из лампочек, то вторая немедленно гаснет, так как цепь разрывается.

Физическое объяснение: При последовательном соединении элементы цепи образуют единый контур.

• Общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений ее элементов: $R_{общ} = R_1 + R_2 = 2R$.
• Сила тока, протекающего через цепь, одинакова для всех элементов: $I_{общ} = I_1 = I_2$. По закону Ома для всей цепи: $I_{общ} = U / R_{общ} = U / (2R)$. Этот ток вдвое меньше, чем в цепи с одной лампочкой.
• Напряжение источника питания распределяется между элементами цепи. Так как лампочки одинаковые, напряжение делится поровну: $U_1 = U_2 = U/2$.
• Мощность, выделяемая на каждой лампочке, и, соответственно, ее яркость, значительно меньше: $P_1 = I_1^2 \cdot R_1 = (U/2R)^2 \cdot R = U^2 / (4R)$. Это в 4 раза меньше мощности одной лампочки, подключенной напрямую к батарейке ($P_{одна} = U^2/R$).

Ответ: При последовательном соединении обе лампочки горят тускло, так как напряжение батарейки делится между ними, и в результате через каждую лампочку протекает меньший ток и на ней выделяется меньшая мощность.

Проведенный эксперимент наглядно демонстрирует фундаментальные различия между параллельным и последовательным соединением потребителей тока.

• Параллельная схема обеспечивает подачу полного напряжения на каждый элемент, что позволяет им работать в номинальном режиме (в данном случае - светить ярко). Недостаток — повышенное потребление тока от источника. Выход из строя одного элемента не влияет на работу других.
• Последовательная схема характеризуется разделением напряжения источника между элементами и меньшим общим током, что приводит к их работе с пониженной мощностью (лампочки светят тускло). Преимущество — экономный расход энергии источника. Недостаток — при выходе из строя одного элемента вся цепь перестает работать.

Таким образом, выбор схемы соединения зависит от конкретной задачи: для яркого освещения, где важна независимость работы ламп, используется параллельное соединение (например, освещение в квартире), а для создания гирлянд с большим количеством лампочек от одного источника низкого напряжения может использоваться последовательное соединение.