\ Для учителя физики

При использовании материалов этого сайта - и размещение баннера -ОБЯЗАТЕЛЬНО!!!

Творческая лаборатория по теме «Графическое изучение закона Ома для полной цепи »

Материалы предоставил: Юрий Максимов

email: [email protected]

Цели урока:

• дидактические – создать условия для усвоения нового учебного материала, используя исследовательский метод обучения;
• образовательные - формировать понятия о ЭДС, внутреннем сопротивлении и токе короткого замыкания.
• развивающие – развивать графические умения учащихся, формировать навыки обращения с источниками тока.
• воспитательные – прививать культуру умственного труда.

Тип урока : урок усвоения нового материала.

Оборудование: комплект «Электричество-1 и 2» из набора оборудования «L – микро», источник тока – плоская батарейка.

ХОД УРОКА.

1.Оргмомент.(1-2 мин.)

2.Актуализация знаний.(5 мин.)

Для достижения целей сегодняшнего урока нам необходимо вспомнить изученный ранее материал. В ходе ответов на вопросы мы будем записывать основные выводы и формулы в тетрадях и на доске.

• Закон Ома для участка цепи и его график.
• Понятие вольт – амперной характеристики.
• Понятие ЭДС, внутреннего сопротивления, тока короткого замыканияЗакон Ома для замкнутой цепи.
• Формула для вычисления внутреннего сопротивления.
• Формула для вычисления ЭДС через силу тока и сопротивления резисторов (задача 2 на стр.40 после §11)
• Формула для вычисления ЭДС через напряжение и сопротивления резисторов.

Постановка учебной задачи. Формулировка темы и цели урока.

1. Измерит ЭДС, внутреннее сопротивление и ток короткого замыкания несколькими способами.
2. Изучить физический смысл ЭДС.
3. Найти наиболее точный способ определения ЭДС

Выполнение работы.

Первый способ – прямое измерение ЭДС.

Основано на законе Ома для замкнутой цепи, после преобразования которой получим следующую формулу:

U= E - I r.

При I=0 получим формулу расчета ЭДС: E=U . Вольтметр, подключенный к зажимам источника тока показывает значение ЭДС.

По показанию вольтметра, запишем значение ЭДС: Е=4,9 В. и ток короткого замыкания: Iк.з = 2, 6 А

Внутреннее сопротивление вычислим по формуле:

r = (E – U) / I = 1, 8 Ом

Второй способ – косвенное вычисления

1.по показаниям амперметра.

Соберем электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника тока, амперметра, резистора (сначала 2 Ом, потом 3 Ом) и ключа, как показано на рисунке.

По формуле: r = (I2R2 – I1R1) / (I1 – I2) вычислим внутреннее сопротивление: r = 3 Ом

По формуле: Е = I1R1 – I1 r находим ЭДС: Е =6 В.

По формуле Iкз. = Е / r определяем ток короткого замыкания: Iкз =2 А.

2.по показаниям вольтметра.

По показаниям вольтметра и учитывая значения сопротивлений резисторов, получим следующие результаты:

r = 1 Ом, Е =3 , 8 В. Iкз =3 , 8 А.

Третий способ – графическое определение.

В задаче 5 (стр.40) домашнего задания спрашивается построить графики зависимости силы тока от сопротивления и электрического напряжения от сопротивления. Данная задача приводит к идее изучения закона Ома для полной цепи через график зависимости величины, обратной силе тока от внешнего сопротивления.

Перепишем данную формулу в другом виде:

1 / I = (R+ r) / Е.

Из данной записи видно, что зависимость 1 / I от R является линейной функцией, т.е. графиком является прямая.

Соберем электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных источника тока, амперметра, резистора и ключа. Меняя резисторы, запишем их значения и показания амперметра в таблицу. Вычисляем величину, обратную силе тока.

I (Ом)

Построим график зависимости величины, обратной силе тока от внешнего сопротивления и продолжим его до пересечения с осью R.

Анализ полученного графика.

• Точка А на графике соответствует условию 1 / I = 0 , или R= ∞, которое возможно при R= r
• Точка В получена при сопротивлении R=0, т.е. она показывает ток короткого замыкания.
• Отрезок АД равен сумме сопротивлений R+ r
• Отрезок КД - это 1 / I.

Из преобразованной в начале работы формулы: 1 / I = (R+ r) / Е, находим:

1 / Е = (1 / I) / (R + r) = tg α

Отсюда находим ЭДС:

Е = сtg α = (АД) / (КД)

Результаты вычислений:

r = 1, 9 Ом, Е =4, 92 В. Iкз =2, 82 А.

Обобщение результатов измерений.

Способ измерения	Внутреннее сопротивление	Значение ЭДС	Ток короткого замыкания

Основные выводы и анализ результатов.

• ЭДС источника тока равна сумме падений напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи: Е = IR + Ir =Uвнеш + Uвнутр.
• ЭДС измеряют высокоомным вольтметром без внешней нагрузки: U =E при R .
• Ток короткого замыкания опасно при малом значении внутреннего сопротивления источника тока.
• Более точные результаты получаются при прямом измерении и графическом определении.
• При выборе источника питания необходимо учитывать ряд факторов, определяемых условиями эксплуатации, свойствами нагрузки, временем разрядки.

Творческая лаборатория по теме «Графическое изучение закона Ома для полной цепи»

Понравилось? Отблагодарите, пожалуйста, нас! Для Вас это бесплатно, а нам - большая помощь! Добавьте наш сайт в свою социальную сеть:

Тема: Проверка закона Ома для полной цепи

Цель работы: определить внутреннее сопротивление источника тока и его ЭДС.

Оборудование:
Пояснения к работе

Электрический ток в проводниках вызывают так называемые источники постоянного тока. Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электростатического поля, называются сторонними силами . Отношение работы А стор. , совершаемой сторонними силами по перемещению заряда Q вдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой  источника (ЭДС):

ЭДС источника измеряется вольтметром, сила тока – амперметром.

Согласно закону Ома сила тока в замкнутой цепи с одним источником определяется выражением:

Таким образом, сила тока в цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Пусть известны значения сил токов I 1 и I 2 и падения напряжений на реостате U 1 и U 2 . Для ЭДС можно записать:
= I 1 (R 1 + r) и

I 2 (R 2 + r)

Приравнивая правые части этих двух равенств, получим

I 1 (R 1 + r) = I 2 (R 2 + r)

I 1 R 1 + I 1 r = I 2 R 2 + I 2 r

I 1  r – I 2 r = I 2 R 2 - I 1 R 1

Т.к. I 1 R 1 = U 1 и I 2 R 2 = U 2 , то можно последнее равенство записать так

r(I 1 – I 2) = U 2 – U 1 ,

Задания

Рисунок 1

1. 
   При помощи мультиметра определите напряжение на батарейке при разомкнутом ключе. Это и будет ЭДС батарейки
2. 
   Замкните ключ и измерьте силу тока I 1 и напряжение U 1 на реостате. Запишите показания приборов.
3. 
   Измените сопротивление реостата и запишите другие значения силы тока I 2 и напряжения U 2 .
4. 
   Повторите измерения силы тока и напряжения еще для 4 различных положений ползунка реостата и запишите полученные значения в таблицу:

№ опыта

1. 
   Рассчитайте внутреннее сопротивление по формуле:

1. 
   Определите абсолютную и относительную погрешность измерения ЭДС (∆ℇ и δ
2. 
   ) и внутреннего сопротивления (∆r и δ r) батарейки.
3. 
   
4. 
   

Контрольные вопросы

1. 
   Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
2. 
   Чему равна ЭДС источника при разомкнутой цепи?
3. 
   Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?
4. 
   Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?

Литература

1. 
   
2. 
   
3. 
   

Работа рассчитана на 2 часа

Лабораторная работа № 8

Тема: Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника напряжения

Цель работы: измерить ЭДС и внутреннее сопротивление источника тока.

Оборудование: источник питания, проволочный резистор, амперметр, ключ, вольтметр, соединительные провода.

Пояснения к работе

Схема электрической цепи показана на рисунке 1. В качестве источника тока в схеме используется аккумулятор или батарейка.

Рисунок 1

При разомкнутом ключе ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи. В эксперименте источник тока замкнут на вольтметр, сопротивление которого должно быть много больше внутреннего сопротивления источника тока r. Обычно сопротивление источника тока мало, поэтому для измерения напряжения можно использовать вольтметр со шкалой 0–6 В и сопротивлением R в = 900 Ом. Так как сопротивление источника обычно мало, то действительно R в r. При этом отличие Е от U на превышает десятых долей процента, поэтому погрешность измерения ЭДС равна погрешности измерения напряжения.

Внутреннее сопротивление источника тока можно измерить косвенно, сняв показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе.

Действительно, из Закона Ома для замкнутой цепи получаем: Е=U+Ir, где U=IR – напряжение на внешней цепи. Поэтому

Для измерения силы тока в цепи можно использовать амперметр со шкалой 0 – 5 А.
Задания

1. 
   
2. 
   Соберите электрическую цепь согласно рисунку 1.
3. 
   Измерьте вольтметром ЭДС источника тока при разомкнутом ключе:

Е=U

1. 
   Запишите класс точности вольтметра k v и предел измерения U max его шкалы.
2. 
   Найдите абсолютную погрешность измерения ЭДС источника тока:

1. 
   Запишите окончательный результат измерения ЭДС источника тока:

1. 
   Отключите вольтметр. Замкните ключ. Измерьте амперметром силу тока I в цепи.
2. 
   Запишите класс точности амперметра k А и предел измерения I max его шкалы.
3. 
   Найдите абсолютную погрешность измерения силы тока:

1. 
   Рассчитайте внутреннее сопротивление источника тока по формуле:

1. 
   Найдите абсолютную погрешность измерения внутреннего сопротивления источника тока:

1. 
   Запишите окончательный результат измерения внутреннего сопротивления источника тока:

1. 
   Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу:

Измерение ЭДС источника тока					Измерение внутреннего сопротивления источника тока
E=U,В	k v ,В	U max ,В	∆E,%	Е+∆E,%	I,A	k A ,A	I max ,A	R,Ом	∆R,Ом	∆r,Ом	r+∆r,Ом

1. 
   Подготовьте отчет, он должен содержать: наименование темы и цели работы, перечень необходимого оборудования, формулы искомых величин и их погрешностей, таблицу с результатами измерений и вычислений, вывод по работе.
2. 
   Устно ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы

1. 
   Почему показания вольтметра при разомкнутом и замкнутом ключе различны?
2. 
   Как повысить точность измерения ЭДС источника тока?
3. 
   Какое сопротивление называют внутренним сопротивлением?
4. 
   От чего зависит разность потенциалов между полюсами источника тока?

Литература

1. 
   Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений нач. и сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2014;
2. 
   Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2013;
3. 
   Касьянов В.Д.Тетрадь для лабораторных работ. 10 класс.- М.: Дрофа, 2014.

Работа рассчитана на 2 часа

Лабораторная работа № 9

Тема: Исследование явления электромагнитной индукции

Цель работы: изучить явление электромагнитной индукции и свойства вихревого электрического поля, установить и сформулировать правило определения индукционного тока.

Оборудование: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, источник питания, катушка с железным сердечником от разборного электромагнита, ключ, соединительные провода.

Пояснения к работе

Электромагнитной индукцией называется возникновение электродвижущей силы в проводнике при его перемещении в магнитном поле в замкнутом проводящем контуре вследствие его движения в магнитном поле или изменения самого поля. Эта электродвижущая сила называется электродвижущей силой электромагнитной индукции. Под ее влиянием в замкнутом проводнике возникает электрический ток, называемый индукционным током.

Закон электромагнитной индукции (закон Фарадея-Максвелла): ЭДС электромагнитной индукции в контуре пропорционально и противоположно по знаку скорости изменения магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на контур:

Знак минус в правой части закона электромагнитной индукции соответствует правилу Ленца: при всяком изменении магнитного потока сквозь поверхность, натянутую на замкнутый проводящий контур, в контуре возникает индукционный ток такого направления, что его собственное магнитное поле противодействует изменению магнитного потока, вызвавшему индукционный ток.
Задания

1. 
   Самостоятельно изучите методическое указание по выполнению лабораторной работы.
2. 
   Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.
3. 
   Наблюдая за показаниями миллиамперметра, подводите один из полюсов магнита к катушке, потом на несколько секунд остановите магнит, а затем вновь приближайте его к катушке, вдвигая в нее.
4. 
   Запишите, менялся ли магнитный поток, пронизывающий катушку, во время движения магнита? Во время его остановки?
5. 
   На основании ваших ответов на предыдущий вопрос сделайте и запишите вывод о том, при каком условии в катушке возникает индукционный ток.
6. 
   О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра. Проверьте, одинаковым или различным будет направление индукционного тока в катушке при приближении к ней и удалении от нее одного и того же полюса магнита.
7. 
   Приближайте полюс магнита к катушке с такой скоростью, чтобы стрелка миллиамперметра отклонялась не более чем на половину предельного значения его шкалы.
8. 
   Повторите тот же опыт, но при большей скорости движения магнита, чем в первом случае. При большей или меньшей скорости движения магнита относительно катушки магнитный поток, пронизывающий эту катушку, меняется быстрее? При быстром или медленном изменении магнитного потока сквозь катушку в ней возникал больший по модулю ток? На основании вашего ответа на последний вопрос сделайте и запишите вывод о том, как зависит модуль силы индукционного тока, возникающего в катушке, от скорости изменения магнитного потока, пронизывающего эту катушку.
9. 
   Соберите электрическую цепь:

Рисунок 1

1. 
   Проверьте, возникает ли в катушке-мотке 1 индукционный ток в следующих случаях:

а) при замыкании и размыкании цепи, в которую включена катушка 2;

б) при протекании через катушку 2 постоянного тока;

в) при увеличении и уменьшении силы тока, протекающего через катушку 2 путем перемещения в соответствующую сторону движка реостата.

11. В каких из перечисленных в пункте 9 случаях меняется магнитный поток, пронизывающий катушку 1? Почему он меняется?

12. Подготовьте отчет, он должен содержать: наименование темы и цели работы, перечень необходимого оборудования, схемы опытов, вывод по работе.

13. Устно ответьте на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы

1. 
   Почему для обнаружения индукционного тока замкнутый проводник лучше брать в виде катушки, а не в виде одного витка провода?
2. 
   Сформулируйте закон электромагнитной индукции.
3. 
   Назовите приборы и устройства, работа которых основана на индукционных токах.
4. 
   В чем состоит явление электромагнитной индукции?
5. 
   Изменение каких физических величин может привести к изменению магнитного потока?

Литература

1. 
   Дмитриева В. Ф. Физика для профессий и специальностей технического профиля: учебник для образовательных учреждений нач. и сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2014;
2. 
   Самойленко П.И. Физика для профессий и специальностей социально-экономического профиля: учебник для образовательных учреждений начального и среднего проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2013;
3. 
   Касьянов В.Д.Тетрадь для лабораторных работ. 10 класс.- М.: Дрофа, 2014.

Работа рассчитана на 2 часа

Лабораторная работа № 10

Закон Ома для полной цепи – эмпирический (полученный из эксперимента) закон, который устанавливает связь между силой тока, электродвижущей силой (ЭДС) и внешним и внутренним сопротивлением в цепи.

При проведении реальных исследований электрических характеристик цепей с постоянным током необходимо учитывать сопротивление самого источника тока. Таким образом в физике осуществляется переход от идеального источника тока к реальному источнику тока, у которого есть свое сопротивление (см. рис. 1).

Рис. 1. Изображение идеального и реального источников тока

Рассмотрение источника тока с собственным сопротивлением обязывает использовать закон Ома для полной цепи.

Сформулируем закона Ома для полной цепи так (см. рис. 2): сила тока в полной цепи прямо пропорциональна ЭДС и обратно пропорциональна полному сопротивлению цепи, где под полным сопротивлением понимается сумма внешних и внутренних сопротивлений.

Рис. 2. Схема закона Ома для полной цепи.

• R – внешнее сопротивление [Ом];
• r – сопротивление источника ЭДС (внутреннее) [Ом];
• I – сила тока [А];
• ε– ЭДС источника тока [В].

Рассмотрим некоторые задачи на данную тему. Задачи на закон Ома для полной цепи, как правило, дают ученикам 10 класса, чтобы они могли лучше усвоить указанную тему.

I. Определите силу тока в цепи с лампочкой, сопротивлением 2,4 Ом и источником тока, ЭДС которого равно 10 В, а внутреннее сопротивление 0,1 Ом.

По определению закона Ома для полной цепи, сила тока равна:

II. Определить внутреннее сопротивление источника тока с ЭДС 52 В. Если известно, что при подключении этого источника тока к цепи с сопротивлением 10 Ом амперметр показывает значение 5 А.

Запишем закон Ома для полной цепи и выразим из него внутреннее сопротивление:

III. Однажды школьник спросил у учителя по физике: «Почему батарейка садится?» Как грамотно ответить на данный вопрос?

Мы уже знаем, что реальный источник обладает собственным сопротивлением, которое обусловлено либо сопротивлением растворов электролитов для гальванических элементов и аккумуляторов, либо сопротивлением проводников для генераторов. Согласно закону Ома для полной цепи:

следовательно, ток в цепи может уменьшаться либо из-за уменьшения ЭДС, либо из-за повышения внутреннего сопротивления. Значение ЭДС у аккумулятора почти постоянный. Следовательно, ток в цепи понижается за счет повышения внутреннего сопротивления. Итак, «батарейка» садится, так как её внутреннее сопротивление увеличивается.

При проектировании и ремонте схем различного назначения обязательно учитывается закон Ома для полной цепи. Поэтому тем, кто собирается этим заниматься, для лучшего понимания процессов этот закон надо знать. Законы Ома разделяют на две категории:

• для отдельного участка электрической цепи;
• для полной замкнутой цепи.

В обоих случаях учитывается внутреннее сопротивление в структуре источника питания. В вычислительных расчетах используют закон Ома для замкнутой цепи и другие определения.

Простейшая схема с источником ЭДС

Чтобы понять закон Ома для полной цепи, для наглядности изучения рассматривается самая простая схема с минимальным количеством элементов, ЭДС и активной резистивной нагрузки. Можно прибавить в комплект соединительные провода. Для питания идеально подходит автомобильный аккумулятор 12В, он рассматривается как источник ЭДС со своим сопротивлением в элементах конструкции.

Роль нагрузки играет обычная лампа накаливания с вольфрамовой спиралью, которая имеет сопротивление в несколько десятков Ом. Данная нагрузка преобразует электрическую энергию в тепловую. Всего несколько процентов расходуются на излучение потока света. При расчете таких схем применяют закон Ома для замкнутой цепи.

Принцип пропорциональности

Экспериментальными исследованиями в процессе измерений величин при разных значениях параметров полной цепи:

• Силы тока – I А;
• Суммы сопротивлений батареи и нагрузки – R+r измеряют в омах;
• ЭДС – источник тока, обозначают как Е. измеряется в вольтах

было замечено, что сила тока имеет прямо пропорциональную зависимость относительно ЭДС и обратную пропорциональную зависимость относительно суммы сопротивлений, которые замыкаются последовательно в контуре цепи. Алгебраически это сформулируем следующим образом:

Рассматриваемый пример схемы с замкнутым контуром цепи – с одним источником питания и одним внешним элементом сопротивления нагрузки в виде лампы со спиралью накаливания. При расчете сложных схем с несколькими контурами и множеством элементов нагрузки применяют закон Ома для всей цепи и другие правила. В частности надо знать законы Киргофа, понимать, что такое двухполюсники, четырехполюсники, отводящие узлы и отдельные ветви. Это требует детального рассмотрения в отдельной статье, раньше этот курс ТЭРЦ (теория электро- радиотехнических цепей) в институтах учили не менее двух лет. Поэтому ограничиваемся простым определением только для полной электрической цепи.

Особенности сопротивлений в источниках питания

Важно! Если сопротивление спирали на лампе мы видим на схеме и в реальной конструкции, то внутреннего сопротивления в конструкции гальванической батарейки, или аккумулятора, не видно. В реальной жизни, даже если разобрать аккумулятор, найти сопротивление невозможно, оно не существует как отдельная деталь, иногда его отображают на схемах.

Внутреннее сопротивление создается на молекулярном уровне. Токопроводящие материалы аккумулятора или другого источника питания генератора с выпрямителем тока не обладают 100% проводимостью. Всегда присутствуют элементы с частицами диэлектрика или металлов другой проводимости, это создает потери тока и напряжения в батарее. На аккумуляторах и батарейках нагляднее всего отображается влияние сопротивления элементов конструкции на величину напряжения и тока на выходе. Способность источника выдавать максимальный ток определяет чистота состава токопроводящих элементов и электролита. Чем чище материалы, тем меньше значение r, источник ЭДС выдает больший ток. И, наоборот, при наличии примесей ток меньше, r увеличивается.

В нашем примере аккумулятор имеет ЭДС 12В, к нему подключается лампочка, способная потреблять мощность 21 Вт, в этом режиме спираль лампы раскаляется до максимально допустимого накала. Формулировка проходящего через нее тока записывается как:

I = P\U = 21 Вт / 12В = 1,75 А.

При этом спираль лампы горит в половину накала, выясним причину этого явления. Для расчетов сопротивления общей нагрузки (R + r ) применяют законы Ома для отдельных участков цепей и принципы пропорциональности:

(R + r) = 12\ 1,75 = 6,85 Ом.

Возникает вопрос, как выделить из суммы сопротивлений величину r. Допускается вариант – измерить мультиметром сопротивление спирали лампы, отнять его от общего и получить значение r – ЭДС. Этот способ будет не точен – при нагревании спирали сопротивление значительно изменяет свою величину. Очевидно, что лампа не потребляет заявленной в ее характеристиках мощности. Ясно, что напряжение и ток для накаливания спирали малы. Для выяснения причины измерим падение напряжения на аккумуляторе при подключенной нагрузке, к примеру, оно будет 8 Вольт. Предположим, что сопротивление спирали рассчитывается с использованием принципов пропорциональности:

U/ I = 12В/1,75А = 6,85 Ом.

При падении напряжения сопротивление лампы остается постоянным, в этом случае:

• I = U/R = 8В/6,85 Ом = 1,16 А при требуемом 1.75А;
• Потери по току = (1,75 -1.16) = 0,59А;
• По напряжению = 12В – 8В = 4В.

Потребляемая мощность будет Р = UxI = 8В х 1.16А = 9,28 Вт вместо положенных 21 Вт. Выясняем, куда уходит энергия. За пределы замкнутого контура не может, остаются только провода и конструкция источника ЭДС.

Сопротивление ЭДС – r можно вычислить, используя потерянные величины напряжения и тока:

r = 4В/0.59А = 6,7 Ом.

Получается внутреннее сопротивление источника питания «сжирает» половину выделяемой энергии на себя, и это, конечно, не нормально.

Такое бывает в старых отработавших свой срок или бракованных аккумуляторах. Сейчас производители стараются следить за качеством и чистотой применяемых токоведущих материалов, чтобы снизить потери. Для того чтобы в нагрузку отдавалась максимальная мощность, технологии изготовления источников ЭДС контролируют, чтобы величина не превышала 0,25 Ом.

Зная закон Ома для замкнутой цепи, используя постулаты пропорциональности, можно легко вычислить необходимые параметры для электрических цепей для определения неисправных элементов или проектирования новых схем различного назначения.

Видео