Лабораторные работы — с. 237
Лабораторная работа № 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 тока, 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, измерьте силу тока и напряжение на резисторе R1.
4. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, записывайте в таблицу 18. [Таблица 18: № опыта; Сила тока I, А; Напряжение U, В.] 5. Начертите схему цепи, изменив расположение измерительных приборов таким образом, чтобы они измеряли силу тока и напряжение на резисторе R2.
6. Переподключите измерительные приборы в соответствии со схемой. Определите силу тока и напряжение на резисторе R2.
7. Начертите схему цепи, изменив расположение измерительных приборов таким образом, чтобы они измеряли силу тока на неразветвлённом участке цепи и напряжение на участке цепи, содержащем оба резистора.
8. Переподключите измерительные приборы в соответствии со схемой. Определите силу тока и напряжение.
9. Проанализируйте результаты измерений и сделайте вывод о закономерностях параллельного соединения проводников.
Ход работы (резисторы R₁ = 10 Ом и R₂ = 5 Ом, ЛИП установлен на 4 В).
1. Схема 1: ЛИП и ключ в неразветвлённой части, резисторы R₁ и R₂ подключены между общими точками (узлами) параллельно. Амперметр включён последовательно с R₁, вольтметр — параллельно R₁. Собираем цепь с разомкнутым ключом, проверяем полярность «+» приборов. Цена деления амперметра 0,1 А, вольтметра 0,2 В; ΔI = 0,1 А, ΔU = 0,2 В.
2. Опыт 1. Замыкаем ключ: I₁ = 0,4 ± 0,1 А, U₁ = 3,8 ± 0,2 В.
3. Опыт 2 (схема 2). Переносим амперметр в ветвь с R₂, вольтметр — параллельно R₂: I₂ = 0,8 ± 0,1 А, U₂ = 3,8 ± 0,2 В.
4. Опыт 3 (схема 3). Амперметр включаем в неразветвлённый участок (до разветвления), вольтметр присоединяем к узлам, между которыми включены оба резистора: I = 1,1 ± 0,1 А, U = 3,8 ± 0,2 В.
5. Анализ.
а) Напряжение. U₁ = U₂ = U = 3,8 В: при параллельном соединении напряжения на резисторах одинаковы и равны напряжению на всём участке.
б) Сила тока. I₁ + I₂ = 0,4 А + 0,8 А = 1,2 А, измерено I = 1,1 А. Разность 0,1 А меньше суммарной погрешности (0,1 + 0,1 = 0,2 А), поэтому I = I₁ + I₂: сила тока в неразветвлённой части равна сумме токов в ветвях.
в) Сопротивления по закону Ома: R₁ = 3,8 / 0,4 ≈ 9,5 Ом; R₂ = 3,8 / 0,8 ≈ 4,8 Ом; общее R = U / I = 3,8 / 1,1 ≈ 3,5 Ом (ΔR ≈ 0,5 Ом). Проверка: 1/R₁ + 1/R₂ = 1/9,5 + 1/4,8 ≈ 0,105 + 0,208 = 0,313 Ом⁻¹, откуда R ≈ 3,2 Ом, что в пределах погрешности согласуется с 3,5 ± 0,5 Ом; общее сопротивление меньше меньшего из R₁ и R₂.
г) Токи обратно пропорциональны сопротивлениям: I₂/I₁ = 0,8 / 0,4 = 2 при R₁/R₂ ≈ 9,5 / 4,8 ≈ 2.
Вывод. При параллельном соединении проводников: 1) напряжение на каждом проводнике одинаково: U = U₁ = U₂; 2) сила тока в неразветвлённой части равна сумме токов в ветвях: I = I₁ + I₂; 3) общее сопротивление меньше сопротивления каждого из проводников и определяется формулой 1/R = 1/R₁ + 1/R₂; 4) токи в ветвях обратно пропорциональны их сопротивлениям.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться (сопротивления резисторов 10 и 5 Ом и цены деления приборов приняты типичными; сумма токов может отличаться от I на 0,1–0,2 А).
1. Схема 1: ЛИП и ключ в неразветвлённой части, резисторы R₁ и R₂ подключены между общими точками (узлами) параллельно. Амперметр включён последовательно с R₁, вольтметр — параллельно R₁. Собираем цепь с разомкнутым ключом, проверяем полярность «+» приборов. Цена деления амперметра 0,1 А, вольтметра 0,2 В; ΔI = 0,1 А, ΔU = 0,2 В.
2. Опыт 1. Замыкаем ключ: I₁ = 0,4 ± 0,1 А, U₁ = 3,8 ± 0,2 В.
3. Опыт 2 (схема 2). Переносим амперметр в ветвь с R₂, вольтметр — параллельно R₂: I₂ = 0,8 ± 0,1 А, U₂ = 3,8 ± 0,2 В.
4. Опыт 3 (схема 3). Амперметр включаем в неразветвлённый участок (до разветвления), вольтметр присоединяем к узлам, между которыми включены оба резистора: I = 1,1 ± 0,1 А, U = 3,8 ± 0,2 В.
5. Анализ.
а) Напряжение. U₁ = U₂ = U = 3,8 В: при параллельном соединении напряжения на резисторах одинаковы и равны напряжению на всём участке.
б) Сила тока. I₁ + I₂ = 0,4 А + 0,8 А = 1,2 А, измерено I = 1,1 А. Разность 0,1 А меньше суммарной погрешности (0,1 + 0,1 = 0,2 А), поэтому I = I₁ + I₂: сила тока в неразветвлённой части равна сумме токов в ветвях.
в) Сопротивления по закону Ома: R₁ = 3,8 / 0,4 ≈ 9,5 Ом; R₂ = 3,8 / 0,8 ≈ 4,8 Ом; общее R = U / I = 3,8 / 1,1 ≈ 3,5 Ом (ΔR ≈ 0,5 Ом). Проверка: 1/R₁ + 1/R₂ = 1/9,5 + 1/4,8 ≈ 0,105 + 0,208 = 0,313 Ом⁻¹, откуда R ≈ 3,2 Ом, что в пределах погрешности согласуется с 3,5 ± 0,5 Ом; общее сопротивление меньше меньшего из R₁ и R₂.
г) Токи обратно пропорциональны сопротивлениям: I₂/I₁ = 0,8 / 0,4 = 2 при R₁/R₂ ≈ 9,5 / 4,8 ≈ 2.
Вывод. При параллельном соединении проводников: 1) напряжение на каждом проводнике одинаково: U = U₁ = U₂; 2) сила тока в неразветвлённой части равна сумме токов в ветвях: I = I₁ + I₂; 3) общее сопротивление меньше сопротивления каждого из проводников и определяется формулой 1/R = 1/R₁ + 1/R₂; 4) токи в ветвях обратно пропорциональны их сопротивлениям.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться (сопротивления резисторов 10 и 5 Ом и цены деления приборов приняты типичными; сумма токов может отличаться от I на 0,1–0,2 А).