Лабораторная работа №4, страница 282 - гдз по физике 8 класс учебник Закирова, Аширов

Лабораторная работа № 4.

Исследование зависимости силы тока от напряжения на участке цепи

Цель: убедиться на опыте в прямой зависимости силы тока от напряжения на металлическом проводнике. Анализировать экспериментально полученные данные и записывать их с учетом погрешностей.

Оборудование: источник тока, ключ, соединительные провода, делитель напряжения, резистор, амперметр, вольтметр.

Указания к работе

1. Соберите электрическую цепь по схеме на рисунке 5, замкните ее.

Рис. 5. Подключение в цепь делителя напряжения

2. Изменяя положение подвижного контакта на делителе напряжения, снимите показания вольтметра и соответствующие им показания амперметра, занесите их в таблицу.

3. Определите цену деления амперметра и вольтметра, результат занесите в таблицу.

4. Запишите в таблицу значения напряжения и силы тока с учетом погрешности измерений. Примите погрешность отсчета равной половине цены деления прибора.

5. По полученным значениям напряжения и силы постройте график зависимости $I(U)$.

6. Направьте ось напряжений на сетке для построения графика зависимости силы тока от напряжения по оси абсцисс, силу тока по оси ординат. Нанесите точки, соответствующие значениям, внесенным в таблицу. Вокруг точки постройте прямоугольник, стороны которого соответствуют удвоенному значению погрешности каждой величины (рис. 6).

Рис. 6. Пример нанесения точек графика с учетом погрешности

7. Проведите график таким образом, чтобы линия прошла через область значений измеренных величин или коснулась ее.

8. Ответьте на вопросы:

1) График какой зависимости вами получен?

2) Подтверждает ли результат эксперимента закон Ома?

9. Сделайте вывод.

Поскольку данное задание представляет собой лабораторную работу, которую невозможно выполнить физически, ниже представлено ее теоретическое выполнение с использованием смоделированных данных, которые соответствовали бы реальному эксперименту.

1-4. Сборка цепи, проведение измерений и заполнение таблицы

В ходе выполнения работы была собрана электрическая цепь согласно схеме на рис. 5. С помощью делителя напряжения было установлено 5 различных значений напряжения, для каждого из которых была измерена сила тока. Погрешность измерений была принята равной половине цены деления приборов.

Допустим, что для вольтметра цена деления составляет 0,2 В, тогда погрешность измерения напряжения: $ΔU = 0.2 / 2 = 0.1$ В.

Допустим, что для амперметра цена деления составляет 0,04 А, тогда погрешность измерения силы тока: $ΔI = 0.04 / 2 = 0.02$ А.

Результаты измерений и расчетов занесены в таблицу:

5-7. Построение графика зависимости I(U)

На координатной плоскости строим график зависимости силы тока $I$ от напряжения $U$. По оси абсцисс откладываем напряжение $U$ в вольтах (В), а по оси ординат — силу тока $I$ в амперах (А). Наносим экспериментальные точки с координатами $(U, I)$ из таблицы. Вокруг каждой точки строим "прямоугольник погрешностей", высота которого равна $2ΔI$, а ширина — $2ΔU$. Затем проводим усредняющую прямую линию так, чтобы она проходила как можно ближе к экспериментальным точкам (в идеале — через их области погрешностей) и через начало координат, так как при нулевом напряжении ток также должен быть равен нулю.

Ответ: По данным таблицы построен график зависимости силы тока от напряжения $I(U)$.

8. Ответьте на вопросы:

1) График какой зависимости вами получен?

Полученный график представляет собой прямую линию, проходящую через начало координат. Такая зависимость в математике называется прямой пропорциональностью. Это означает, что сила тока прямо пропорциональна напряжению: $I \sim U$, или $I = k \cdot U$, где $k$ — коэффициент пропорциональности.

Ответ: Получен график прямой пропорциональной зависимости силы тока от напряжения.

2) Подтверждает ли результат эксперимента закон Ома?

Да, результат эксперимента подтверждает закон Ома для участка цепи. Закон Ома гласит, что сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению: $I = U/R$. Эта формула описывает прямую пропорциональность между силой тока и напряжением, что и было получено в ходе эксперимента. Коэффициент пропорциональности $k$ из предыдущего пункта имеет физический смысл величины, обратной сопротивлению: $k = 1/R$. Сопротивление $R$ является постоянной величиной для данного проводника при постоянной температуре, поэтому график $I(U)$ является прямой линией.

Можно рассчитать среднее значение сопротивления по данным эксперимента. Сопротивление $R$ равно тангенсу угла наклона графика $U(I)$ или обратной величине тангенса угла наклона графика $I(U)$.

Решение:

Найдем сопротивление для каждой точки: $R_1 = U_1/I_1 = 1.0/0.10 = 10.0$ Ом

$R_2 = U_2/I_2 = 2.0/0.21 \approx 9.5$ Ом

$R_3 = U_3/I_3 = 3.0/0.29 \approx 10.3$ Ом

$R_4 = U_4/I_4 = 4.0/0.41 \approx 9.8$ Ом

$R_5 = U_5/I_5 = 5.0/0.50 = 10.0$ Ом

Среднее значение сопротивления: $R_{ср} = (10.0 + 9.5 + 10.3 + 9.8 + 10.0) / 5 = 49.6 / 5 \approx 9.9$ Ом.

Небольшой разброс значений объясняется погрешностями измерений. Постоянство вычисленного сопротивления подтверждает справедливость закона Ома.

Ответ: Да, результат эксперимента подтверждает закон Ома, так как была установлена прямая пропорциональная зависимость между силой тока и напряжением на металлическом проводнике.

9. Сделайте вывод.

В ходе лабораторной работы была экспериментально исследована зависимость силы тока от напряжения на участке цепи с металлическим проводником (резистором). В результате измерений и построения графика зависимости $I(U)$ было установлено, что сила тока прямо пропорциональна приложенному напряжению. Этот вывод, сделанный с учетом погрешностей измерений, полностью подтверждает закон Ома для участка цепи. Также в ходе работы было экспериментально определено сопротивление проводника, которое составило около $R \approx 9.9$ Ом.

Ответ: Экспериментально доказано, что на металлическом проводнике сила тока прямо пропорциональна напряжению, что соответствует закону Ома. Цель работы достигнута.