Страница 235 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

№ 8 ИЗУЧЕНИЕ ПАРАЛЛЕЛЬНОГО СОЕДИНЕНИЯ ПРОВОДНИКОВ

Цель работы

Выявить закономерности параллельного соединения проводников.

Приборы и материалы

Лабораторный источник питания (ЛИП), два резистора, ключ, амперметр, вольтметр, соединительные провода.

УКАЗАНИЯ К РАБОТЕ

1. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника питания, ключа, двух параллельно соединённых резисторов $R1$ и $R2$. Добавьте в схему амперметр и вольтметр так, чтобы они измеряли силу тока и напряжение на резисторе $R1$.

2. Соберите электрическую цепь по схеме.

3. Замкните цепь, определите силу тока и напряжение на резисторе $R1$.

4. Обработка результатов прямых измерений. Результаты измерений силы тока и напряжения с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, запишите в таблицу 17.

Таблица 17

5. Измените расположение измерительных приборов на схеме таким образом, чтобы они измеряли силу тока и напряжение на резисторе $R2$.

6. Соберите цепь по схеме. Определите силу тока и напряжение на резисторе $R2$.

7. Измените расположение измерительных приборов на схеме таким образом, чтобы они измеряли силу тока на неразветвлённом участке цепи и напряжение на участке цепи, содержащем оба резистора.

8. Соберите цепь по схеме. Определите силу тока и напряжение.

9. Проанализируйте результаты измерений и сделайте вывод о закономерностях параллельного соединения.

1. Начертите схему электрической цепи, состоящей из источника питания, ключа, двух параллельно соединённых резисторов R1 и R2. Добавьте в схему амперметр и вольтметр так, чтобы они измеряли силу тока и напряжение на резисторе R1.

Схема электрической цепи для измерения силы тока в ветви с резистором R1 и напряжения на нем выглядит следующим образом:

В этой схеме:

• Источник питания, ключ K, и узел, где цепь разветвляется, соединены последовательно.
• Резисторы R1 и R2 соединены параллельно друг другу.
• Амперметр A включен в разрыв цепи последовательно с резистором R1, чтобы измерить ток $I_1$, протекающий через него.
• Вольтметр V подключен параллельно резистору R1 для измерения напряжения $U_1$ на нем.

Ответ: Схема начерчена и описана выше.

2. Соберите электрическую цепь по схеме.

Этот пункт подразумевает физическую сборку цепи в лаборатории с использованием реальных приборов и материалов (источник питания, резисторы, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода) в соответствии со схемой из пункта 1.

Ответ: Цепь собирается согласно схеме из пункта 1.

3. Замкните цепь, определите силу тока и напряжение на резисторе R1.

После сборки цепи замыкаем ключ K и снимаем показания с амперметра ($I_1$) и вольтметра ($U_1$). Эти данные будут занесены в таблицу.

Ответ: Показания приборов записываются для последующей обработки.

4. Обработка результатов прямых измерений. Результаты измерений силы тока и напряжения с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, запишите в таблицу 17.

Поскольку мы выполняем все шаги работы, мы заполним таблицу сразу для всех трех экспериментов (пункты 3, 6 и 8). Допустим, в ходе эксперимента были получены следующие данные (с учетом погрешностей приборов, например, цена деления вольтметра 0.2 В, амперметра - 0.1 А).

Таблица 17. Результаты измерений

Ответ: Результаты измерений внесены в таблицу.

5. Измените расположение измерительных приборов на схеме таким образом, чтобы они измеряли силу тока и напряжение на резисторе R2.

Для этого амперметр необходимо включить последовательно с резистором R2, а вольтметр подключить параллельно резистору R2. Схема будет выглядеть так:

Ответ: Схема для измерения тока и напряжения на R2 приведена выше.

6. Соберите цепь по схеме. Определите силу тока и напряжение на резисторе R2.

Собираем цепь по новой схеме (из пункта 5), замыкаем ключ и снимаем показания $I_2$ и $U_2$. Результаты занесены в таблицу 17 (см. пункт 4, опыт №2).

Ответ: Измеренные значения $I_2 = (0.3 \pm 0.1)$ А, $U_2 = (6.0 \pm 0.2)$ В.

7. Измените расположение измерительных приборов на схеме таким образом, чтобы они измеряли силу тока на неразветвлённом участке цепи и напряжение на участке цепи, содержащем оба резистора.

Амперметр включается в общую (неразветвленную) часть цепи до точки ветвления. Вольтметр подключается параллельно участку, содержащему оба параллельно соединенных резистора.

Ответ: Схема для измерения общего тока и напряжения приведена выше.

8. Соберите цепь по схеме. Определите силу тока и напряжение.

Собираем цепь по схеме из пункта 7, замыкаем ключ и измеряем общий ток $I_{общ}$ и общее напряжение $U_{общ}$ на параллельном участке. Результаты занесены в таблицу 17 (см. пункт 4, опыт №3).

Ответ: Измеренные значения $I_{общ} = (0.9 \pm 0.1)$ А, $U_{общ} = (6.0 \pm 0.2)$ В.

9. Проанализируйте результаты измерений и сделайте вывод о закономерностях параллельного соединения.

Анализ результатов, представленных в таблице 17, позволяет сформулировать следующие выводы:

1. Анализ напряжений.

Сравним напряжения на каждом из резисторов и на общем участке:

$U_1 = (6.0 \pm 0.2)$ В

$U_2 = (6.0 \pm 0.2)$ В

$U_{общ} = (6.0 \pm 0.2)$ В

Видно, что в пределах погрешности измерений напряжения на параллельно соединенных участках цепи равны между собой и равны напряжению на всем разветвлении.

$U_1 \approx U_2 \approx U_{общ}$

Это первая закономерность параллельного соединения.

2. Анализ силы тока.

Сравним общий ток в цепи с суммой токов в отдельных ветвях:

Сумма токов в ветвях: $I_1 + I_2 = 0.6 \text{ А} + 0.3 \text{ А} = 0.9 \text{ А}$.

Общий ток в цепи: $I_{общ} = 0.9 \text{ А}$.

Получаем, что общий ток в неразветвленной части цепи равен сумме токов в отдельных параллельных ветвях:

$I_{общ} = I_1 + I_2$

Это вторая закономерность параллельного соединения.

3. Анализ сопротивлений.

Используя закон Ома $R = U/I$, вычислим сопротивления каждого резистора и общее сопротивление участка (используя средние значения):

$R_1 = \frac{U_1}{I_1} = \frac{6.0 \text{ В}}{0.6 \text{ А}} = 10 \text{ Ом}$.

$R_2 = \frac{U_2}{I_2} = \frac{6.0 \text{ В}}{0.3 \text{ А}} = 20 \text{ Ом}$.

$R_{общ} = \frac{U_{общ}}{I_{общ}} = \frac{6.0 \text{ В}}{0.9 \text{ А}} \approx 6.67 \text{ Ом}$.

Проверим третью закономерность параллельного соединения: величина, обратная общему сопротивлению, равна сумме величин, обратных сопротивлениям отдельных ветвей.

$\frac{1}{R_{общ}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$

Подставим наши расчетные значения:

$\frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} = \frac{1}{10} + \frac{1}{20} = \frac{2}{20} + \frac{1}{20} = \frac{3}{20} = 0.15 \text{ Ом}^{-1}$.

Отсюда теоретическое общее сопротивление $R_{общ.теор} = \frac{1}{0.15} = \frac{20}{3} \approx 6.67 \text{ Ом}$.

Это значение совпадает с нашим экспериментальным значением $R_{общ} \approx 6.67 \text{ Ом}$. Также видно, что общее сопротивление участка ($6.67$ Ом) меньше наименьшего из сопротивлений в ветвях ($R_1 = 10$ Ом).

Вывод:

На основе проведенных измерений и расчетов установлены следующие закономерности параллельного соединения проводников:

1. Напряжение на всех параллельно соединенных участках цепи одинаково: $U = U_1 = U_2 = \dots = U_n$.
2. Сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме сил токов в отдельных ветвях: $I = I_1 + I_2 + \dots + I_n$.
3. Величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям параллельно соединенных проводников: $\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \dots + \frac{1}{R_n}$.

Ответ: Выводы о закономерностях параллельного соединения сформулированы на основе анализа экспериментальных данных.