Лабораторная работа № 5 «Изучение последовательного соединения проводников»

Два резистора включены один за другим. Станет ли сила тока меньше после первого резистора? Сначала запиши прогноз, а ответ получи только из собственных измерений.

Безопасность. Работай только с исправным учебным источником низкого напряжения. До первого включения проверь полярность и выбери наибольший предел измерения; уменьшай предел только при разомкнутом ключе и отключённом источнике. Так же выполняй любую перестановку проводов. Если стрелка прибора уходит за шкалу или влево, появились нагрев, запах или искрение — немедленно разомкни ключ и сообщи учителю.

Цель и результат

Цель работы — собрать последовательную цепь с двумя проводниками и по фактическим показаниям своего комплекта проверить закономерности силы тока и напряжения, а затем получить следствие для сопротивления.

На пару нужны: учебный источник постоянного напряжения, ключ, два разных резистора, амперметр, вольтметр и соединительные провода.

Результат работы — заполненный протокол с $I_1$, $I_2$, $I_3$, $U_1$, $U_2$, $U$, рассчитанными $R_1$, $R_2$, $R$ и выводом. Готовых лабораторных чисел ниже нет: тренировочная задача помечена отдельно.

Что значит «последовательно»

При последовательном соединении элементы образуют один путь без разветвлений. Если разомкнуть цепь в любом месте, ток прекращается во всей цепи.

Не путай положение элемента на рисунке со способом соединения. Главный признак — отсутствие узла, в котором путь тока делится.

Опыт 1. Сила тока в разных местах

Перед измерением выбери прогноз: после первого резистора сила тока меньше, такая же или больше? Запиши объяснение, но пока не проверяй ответ по формуле.

Амперметр каждый раз включают в разрыв единственного пути. Это три последовательных измерения одним прибором, а не три амперметра одновременно.

1. Собери цепь при разомкнутом ключе и покажи её учителю.
2. Измерь $I_1$ до первого резистора и разомкни ключ.
3. Отключи источник, переставь амперметр между резисторами, проверь схему и измерь $I_2$.
4. Тем же безопасным способом измерь $I_3$ после второго резистора.
5. Запиши выбранный предел, цену деления, показания и единицы.

Сравни результаты с учётом точности прибора. Для последовательной цепи ожидается:

$$I_1=I_2=I_3.$$

Небольшое расхождение последних цифр не опровергает закон, если оно укладывается в точность отсчёта. Ток не «расходуется» в первом резисторе: в установившемся режиме заряд не накапливается между элементами.

Опыт 2. Напряжение на участках

Вольтметр подключают параллельно выбранному участку. Сначала измерь $U_1$ на первом резисторе, затем $U_2$ на втором и $U$ на участке из двух резисторов. Перед каждым переносом прибора разомкни ключ и отключи источник.

Сравни общее напряжение с суммой:

$$U=U_1+U_2.$$

При одном и том же токе на проводнике с большим сопротивлением падение напряжения больше.

Опыт 3. Сопротивления

Если три показания согласуются в пределах точности, найди их среднее:

$$I_{\text{ср}}=\frac{I_1+I_2+I_3}{3}.$$

По измерениям одного режима вычисли:

$$R_1=\frac{U_1}{I_{\text{ср}}},\qquad R_2=\frac{U_2}{I_{\text{ср}}},\qquad R=\frac{U}{I_{\text{ср}}}.$$

Затем проверь следствие для сопротивления:

$$R=R_1+R_2.$$

В реальном опыте сравнивают значения с учётом цены деления и округления, поэтому в протоколе допустимо писать $R\approx R_1+R_2$. Числа не подгоняют под формулу.

Тренировочная задача — не результат опыта

Дано: $I=0{,}20\ \text{А}$, $U_1=1{,}2\ \text{В}$, $U_2=1{,}8\ \text{В}$, $U=3{,}0\ \text{В}$. Найди три сопротивления. Стоп: сначала запиши решение полностью. Проверка расположена после лабораторного протокола.

Протокол лабораторной работы

В выводе запиши:

1. совпали ли $I_1$, $I_2$, $I_3$ в пределах точности;
2. совпало ли $U$ с $U_1+U_2$;
3. совпало ли $R$ с $R_1+R_2$;
4. что ограничивало точность и как выполнялись безопасные перестройки.

Проверка тренировочной задачи

$$R_1=\frac{1{,}2}{0{,}20}=6\ \text{Ом},$$ $$R_2=\frac{1{,}8}{0{,}20}=9\ \text{Ом},$$ $$R=\frac{3{,}0}{0{,}20}=15\ \text{Ом}.$$

Проверка: $6\ \text{Ом}+9\ \text{Ом}=15\ \text{Ом}$.

Частые ошибки

Проверь себя

1. Как по схеме узнать последовательное соединение?
2. Почему амперметр можно переставить в разные места цепи для проверки закона?
3. Что нужно сделать перед каждой перестановкой проводов?
4. Как связаны $U$, $U_1$ и $U_2$?
5. При $I=0{,}30\ \text{А}$, $U_1=1{,}5\ \text{В}$ и $U_2=2{,}4\ \text{В}$ найди $R_1$, $R_2$ и $R$.
6. Почему реальные равенства иногда записывают со знаком $\approx$?

Итог

• В последовательной цепи один путь без узлов.
• Сила тока одинакова во всех её местах: $I_1=I_2=I_3$.
• Общее напряжение равно сумме напряжений: $U=U_1+U_2$.
• Общее сопротивление равно сумме сопротивлений: $R=R_1+R_2$.
• Законы подтверждают собственными измерениями и оценивают с учётом точности приборов.

Ответы

1. Все элементы лежат на одном пути, узлов и разветвлений нет.
2. Через каждое поперечное сечение единственного пути проходит один и тот же ток; прибор последовательно проверяет разные позиции.
3. Разомкнуть ключ, отключить источник, переставить провод, проверить схему и только затем кратко включить цепь.
4. $U=U_1+U_2$.
5. $R_1=1{,}5/0{,}30=5\ \text{Ом}$; $R_2=2{,}4/0{,}30=8\ \text{Ом}$; $U=3{,}9\ \text{В}$, поэтому $R=3{,}9/0{,}30=13\ \text{Ом}$. Проверка: $5+8=13$.
6. Приборы имеют конечную цену деления, а отсчёт и округление дают ограниченную точность; сравнивать нужно в пределах этой точности.