Лабораторные работы — с. 234
Лабораторная работа № 6. Измерение напряжения на различных участках последовательной электрической цепи. Цель работы: Собрать электрическую цепь. Измерить напряжение на различных участках цепи с помощью вольтметра. Выявить закономерности последовательного соединения проводников. Приборы и материалы: Лабораторный источник питания (ЛИП), лампа на подставке, резистор, ключ, вольтметр, соединительные провода. Указания к работе:
1. Начертите схему электрической цепи, содержащей источник тока, резистор, лампу и ключ, соединённые последовательно. Покажите схему учителю.
2. Соберите электрическую цепь по схеме.
3. Подключите вольтметр так, чтобы он измерял напряжение U₁ на лампе. Обозначьте положение вольтметра на схеме в этом случае V₁.
4. Замкните цепь и измерьте напряжение. Примечание. При сборке цепи ключ должен быть разомкнут. Обязательно проверьте правильность подключения вольтметра в цепь: клемма, обозначенная знаком «+», должна быть соединена с проводом, идущим от положительного полюса источника тока.
5. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы вольтметра, запишите в таблицу 16. [Таблица 16: Напряжение U₁, В; Напряжение U₂, В; Напряжение U, В.] 6. Подключите вольтметр так, чтобы он измерял напряжение U₂ на резисторе. Обозначьте положение вольтметра на схеме в этом случае V₂.
7. Замкните цепь и измерьте напряжение.
8. Подключите вольтметр так, чтобы он измерял напряжение U на участке цепи, содержащем лампу и резистор. Обозначьте положение вольтметра на схеме в этом случае V.
9. Замкните цепь и измерьте напряжение.
10. Проанализировав полученные результаты, сделайте вывод о соотношении напряжений на различных участках цепи. Опровергните или подтвердите гипотезу: при последовательном соединении элементов общее напряжение на участке цепи равно сумме напряжений на отдельных элементах этого участка.
11. По итогам лабораторных работ № 5 и 6 сформулируйте закономерности для силы тока и напряжения при последовательном соединении проводников.
Ход работы.
1. Схема. Последовательно соединяем ЛИП, ключ, лампу и резистор R (на схеме внизу — ЛИП и ключ, вверху — лампа и резистор). Схему показываем учителю.
2. Собираем цепь при разомкнутом ключе. На ЛИП устанавливаем напряжение около 4 В. Цена деления шкалы вольтметра (предел 6 В): между отметками 0 и 1 В пять делений, C = 0,2 В; абсолютная погрешность ΔU = 0,2 В.
3. Вольтметр V₁ присоединяем параллельно лампе (двумя проводами к её клеммам), клемма «+» — со стороны положительного полюса источника. Замыкаем ключ: U₁ = 2,6 ± 0,2 В.
4. Вольтметр V₂ переносим параллельно резистору (сопротивление резистора 5 Ом): U₂ = 1,6 ± 0,2 В.
5. Вольтметр V присоединяем к крайним клеммам участка «лампа плюс резистор»: U = 4,2 ± 0,2 В. Результаты записаны в таблицу 16 (см. рисунок).
6. Анализ. Сумма напряжений на отдельных элементах: U₁ + U₂ = 2,6 В + 1,6 В = 4,2 В. Измеренное напряжение на всём участке U = 4,2 В. Значения совпали (в общем случае допустимо расхождение в пределах суммарной погрешности, около 0,4 В). Гипотеза подтверждена: U = U₁ + U₂.
7. Дополнительная проверка. Сила тока в цепи I = U₂ / R = 1,6 В / 5 Ом = 0,32 А (в пределах погрешности амперметра совпадает с 0,3 А из работы № 5). Сопротивление лампы R₁ = U₁ / I = 2,6 В / 0,32 А ≈ 8,1 Ом; сопротивление всего участка R = U / I = 4,2 В / 0,32 А ≈ 13,1 Ом ≈ R₁ + R₂ = 8,1 Ом + 5 Ом.
Вывод. При последовательном соединении напряжение на всём участке равно сумме напряжений на отдельных его элементах: U = U₁ + U₂; чем больше сопротивление элемента, тем большее напряжение на нём (на лампе напряжение больше, чем на резисторе, так как её сопротивление больше).
Итог работ № 5 и 6. При последовательном соединении проводников: 1) сила тока во всех участках цепи одинакова: I = I₁ = I₂; 2) общее напряжение равно сумме напряжений на участках: U = U₁ + U₂; 3) как следствие, общее сопротивление равно сумме сопротивлений: R = R₁ + R₂.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться (цена деления вольтметра принята 0,2 В; при реальных измерениях сумма U₁ + U₂ может отличаться от U на 0,2–0,4 В).
1. Схема. Последовательно соединяем ЛИП, ключ, лампу и резистор R (на схеме внизу — ЛИП и ключ, вверху — лампа и резистор). Схему показываем учителю.
2. Собираем цепь при разомкнутом ключе. На ЛИП устанавливаем напряжение около 4 В. Цена деления шкалы вольтметра (предел 6 В): между отметками 0 и 1 В пять делений, C = 0,2 В; абсолютная погрешность ΔU = 0,2 В.
3. Вольтметр V₁ присоединяем параллельно лампе (двумя проводами к её клеммам), клемма «+» — со стороны положительного полюса источника. Замыкаем ключ: U₁ = 2,6 ± 0,2 В.
4. Вольтметр V₂ переносим параллельно резистору (сопротивление резистора 5 Ом): U₂ = 1,6 ± 0,2 В.
5. Вольтметр V присоединяем к крайним клеммам участка «лампа плюс резистор»: U = 4,2 ± 0,2 В. Результаты записаны в таблицу 16 (см. рисунок).
6. Анализ. Сумма напряжений на отдельных элементах: U₁ + U₂ = 2,6 В + 1,6 В = 4,2 В. Измеренное напряжение на всём участке U = 4,2 В. Значения совпали (в общем случае допустимо расхождение в пределах суммарной погрешности, около 0,4 В). Гипотеза подтверждена: U = U₁ + U₂.
7. Дополнительная проверка. Сила тока в цепи I = U₂ / R = 1,6 В / 5 Ом = 0,32 А (в пределах погрешности амперметра совпадает с 0,3 А из работы № 5). Сопротивление лампы R₁ = U₁ / I = 2,6 В / 0,32 А ≈ 8,1 Ом; сопротивление всего участка R = U / I = 4,2 В / 0,32 А ≈ 13,1 Ом ≈ R₁ + R₂ = 8,1 Ом + 5 Ом.
Вывод. При последовательном соединении напряжение на всём участке равно сумме напряжений на отдельных его элементах: U = U₁ + U₂; чем больше сопротивление элемента, тем большее напряжение на нём (на лампе напряжение больше, чем на резисторе, так как её сопротивление больше).
Итог работ № 5 и 6. При последовательном соединении проводников: 1) сила тока во всех участках цепи одинакова: I = I₁ = I₂; 2) общее напряжение равно сумме напряжений на участках: U = U₁ + U₂; 3) как следствие, общее сопротивление равно сумме сопротивлений: R = R₁ + R₂.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться (цена деления вольтметра принята 0,2 В; при реальных измерениях сумма U₁ + U₂ может отличаться от U на 0,2–0,4 В).