Экспериментальное задание, страница 147 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Изготовьте источник тока из лимона, двух толстых цинковой и медной проволок. Можно использовать покрытый цинком гвоздь. Выясните, в чем сходство и различие полученного источника от описанного в параграфе гальванического элемента. Сколько лимонов понадобится, чтобы питать одну лампу на 2,5 В? Как соединить эти самодельные источники?

Выясните, в чем сходство и различие полученного источника от описанного в параграфе гальванического элемента.

Созданный источник тока из лимона, цинковой и медной проволок является гальваническим элементом. Его работа, как и работа любого другого гальванического элемента, основана на преобразовании химической энергии в электрическую.

Сходство:

1. Принцип действия: В основе работы лежит окислительно-восстановительная реакция. Электрический ток возникает в результате химической реакции между двумя различными металлами (электродами), помещенными в проводящую жидкость (электролит).

2. Конструкция: Наличие двух электродов из разных металлов и электролита. В данном случае цинковая проволока (или оцинкованный гвоздь) выступает в роли анода (отрицательный полюс, «–»), а медная проволока — в роли катода (положительный полюс, «+»). Электролитом служит лимонный сок, содержащий лимонную кислоту.

Различие:

1. Электролит: В лимонном источнике используется «природный» электролит — сок лимона, который является слабым раствором кислот. В промышленных гальванических элементах (например, в элементе Вольта, Даниэля или в обычных батарейках) используются специально приготовленные растворы солей или щелочей, обладающие лучшей проводимостью и эффективностью.

2. Эффективность и мощность: Лимонный источник тока очень маломощный. Он обладает высоким внутренним сопротивлением и способен создавать лишь очень малый ток, недостаточный для питания большинства устройств. Промышленные элементы спроектированы для минимизации внутреннего сопротивления и способны отдавать значительно больший ток.

3. Долговечность: Лимонная батарейка работает очень недолго. Электроды быстро окисляются и пассивируются, а сам лимон высыхает. Промышленные элементы герметичны и рассчитаны на длительный срок хранения и работы.

4. Напряжение: Один лимонный элемент создает ЭДС порядка 0,9 В, в то время как стандартные элементы имеют строго определенное и часто более высокое напряжение (например, 1,5 В у пальчиковой батарейки).

Ответ: Сходство заключается в базовом принципе работы гальванического элемента (два разных металла в электролите). Различия заключаются в типе и эффективности электролита, мощности, напряжении, долговечности и общем конструктивном исполнении.

Сколько лимонов понадобится, чтобы питать одну лампу на 2,5 В?

Дано:

Номинальное напряжение лампы $U_{л} = 2,5 \text{ В}$

Напряжение, создаваемое одним лимонным элементом, $U_{1} \approx 0,9 \text{ В}$ (среднее экспериментальное значение)

Найти:

Количество лимонов $N$.

Решение:

Чтобы увеличить общее напряжение, необходимо соединить несколько лимонных элементов последовательно. При последовательном соединении общее напряжение батареи $U_{общ}$ равно сумме напряжений всех элементов. Если напряжение одного элемента $U_{1}$, то для $N$ элементов общее напряжение будет: $U_{общ} = N \cdot U_{1}$

Для того чтобы лампа загорелась, необходимо, чтобы общее напряжение батареи было не меньше номинального напряжения лампы: $U_{общ} \ge U_{л}$

Следовательно: $N \cdot U_{1} \ge U_{л}$

Отсюда находим минимальное количество лимонов $N$: $N \ge \frac{U_{л}}{U_{1}}$

Подставляем числовые значения: $N \ge \frac{2,5 \text{ В}}{0,9 \text{ В}} \approx 2,78$

Так как количество лимонов может быть только целым числом, необходимо взять ближайшее большее целое число. Таким образом, $N=3$. Стоит отметить, что данный расчет является теоретическим. На практике, из-за высокого внутреннего сопротивления лимонной батареи и падения напряжения под нагрузкой, может потребоваться большее количество элементов (например, 4 или 5).

Ответ: Теоретически понадобится 3 лимона.

Как соединить эти самодельные источники?

Чтобы получить напряжение, превышающее напряжение одного элемента (одного лимона), источники необходимо соединить в батарею последовательно.

Порядок действий:

1. В каждый лимон втыкают по одному цинковому (например, оцинкованный гвоздь) и одному медному (кусочек медной проволоки) электроду. Важно, чтобы электроды не соприкасались друг с другом внутри лимона.

2. Для последовательного соединения нужно соединить положительный полюс одного элемента с отрицательным полюсом другого. В лимонной батарейке медный электрод является положительным полюсом («+»), а цинковый — отрицательным («–»).

3. Возьмите проводник (например, зажим «крокодил» или просто кусок провода) и соедините им медный электрод первого лимона с цинковым электродом второго лимона.

4. Затем соедините медный электрод второго лимона с цинковым электродом третьего лимона и так далее, если используется больше лимонов.

5. В результате у вас останутся свободными цинковый электрод на первом лимоне (это будет общий «минус» батареи) и медный электрод на последнем лимоне (общий «плюс» батареи).

6. К этим свободным электродам («плюсу» и «минусу» всей батареи) и подключается нагрузка, в данном случае — лампочка.

Ответ: Самодельные источники нужно соединить последовательно: медный электрод («+») одного лимона соединяется с цинковым электродом («–») следующего лимона.