XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Исследования электрических явлений
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
«Никаким количеством экспериментов нельзя доказать теорию; но достаточно одного эксперимента, чтобы её опровергнуть»
Альбе́рт Эйнште́йн (14 марта 1879 – 18 апреля 1955)
Физика одна из наиболее древних и величайших наук, изучаемых человеком. Физика – это наука, изучающая свойства материи, основа всего естествознания. В современном мире значение физики чрезвычайно велико. Всё то, чем отличается современное общество от общества прошлых веков, появилось в результате применения на практике физических открытий.
Источником знаний для изучения физики, как мы поняли со временем, является практическая деятельность: наблюдения, экспериментальное исследование явлений природы, производственная деятельность. Правильность физических знаний проверяется экспериментом, использованием научных знаний в практической деятельности. Обобщением результатов научных наблюдений и эксперимента являются физические законы, которыми объясняются эти наблюдения и эксперименты.
В прошлом году на внеурочной деятельности мы начали изучать новый для нас и очень интересный предмет физика. Мы познакомились с механическими явлениями, световыми и звуковыми явления, а в этом учебном году нам предстояло изучить тепловые и электрические явления.
В самом начале изучения электрических явлений мы узнали, что они относятся к явлениям, возникающим при появлении, существовании, движении и взаимодействии электрических зарядов [1].
Мы познакомились с понятиями электрический ток, источники тока, с основными физическими величинами, характеризующими электрический ток, его работу и мощность. Нам стало интересно, как изученные нами закономерности и законы применяются на практике, можно ли наблюдать изменение характеристик на опытах. Это и стало обоснованием актуальности нашей работы, которая заключается в том, чтобы определить справедливость законов электродинамики и свойств различных соединений проводников на практике.
Исходя из этого, нами определена цель проекта – исследовать свойства последовательного и параллельного соединения проводников с использованием лабораторного оборудования Electrical Сircuits.
Научная гипотеза заключается в том, что зависимость силы тока от напряжения и электрического сопротивления характеризуется свойствами последовательного и параллельного соединения проводников, а различие данных зависимостей можно наблюдать при проведении опытов.
Задачи, которые нам предстоит решить:
1. Теоретическое описание электрических явлений.
2. Описание экспериментального оборудования и план эксперимента.
3. Сборка электрических цепей, проверка справедливости законов электродинамики и свойств различных соединений проводников на практике.
4. Обработка результатов исследований и формулировка выводов.
1. Теоретическое описание электрических явлений
Электрический ток – это упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц под действием электрического поля.
В металлах и полупроводниках такими частицами выступают электроны.
Источники электрического тока бывают механическими, тепловыми, световыми, химическими [2].
Во всех случаях для существования постоянного тока необходимо наличие свободных зарядов, электрического поля, обеспечивающего их движение, замкнутой электрической цепи. В каждом источнике происходит работа по разделению отрицательно и положительно заряженных частиц, скапливающихся на его полюсах [3, 4].
Основной физической величиной, характеризующей электрический ток, является сила тока. Что такое сила тока?
Представим обычный водопроводный кран. Открываем вентиль – бежит вода. Чем больше мы будем поворачивать ручку, тем сильнее станет напор и тем больше воды будет выливаться из крана за определённое время.
Похоже обстоит дело и с электрическим током. Только вместо крана – проводник, молекулы воды – заряженные частицы (электроны), напор – напряжение, а расход воды – сила тока.
Сила тока (I) – это отношение электрического заряда (q), прошедшего через поперечное сечение проводника, ко времени его прохождения (t)
(1)
Единица измерения силы тока – Ампер (A). Она названа в честь Андре-Мари Ампера – французского физика, который совершил несколько важных открытий, связанных с электричеством.
Один Ампер – это сила тока, при которой за одну секунду через поперечное сечение проводника проходит заряд, равный одному Кулону, то есть заряд чуть больше, чем шести квинтиллионов (миллиард миллиардов) электронов. Кулон – это единица измерения электрического заряда.
Чтобы понять, Ампер – много это или мало, обратимся к фактам.
Ток силой в 0,05 ампер вызывает неприятные ощущения, а ток в 0,1 ампер может убить человека за несколько секунд. В светодиодных лампочках течёт ток в 0,02 ампер, автомобильный аккумулятор способен выдавать несколько сотен ампер, а ток в молнии достигает 200 000 ампер.
Сопротивление (электрическое сопротивление) – это свойство какого-либо проводника оказывать сопротивление электрическому току, проходящему через него. Вот так все просто!
Давайте проведем аналогию с обычной трубой. В нашем случае получается, что проводник электрического тока – это шланг или труба. Теперь давайте подумаем, какой из предметов будет оказывать большее сопротивление потоку воды: садовый шланг или нефтяная труба?
Рисунок 1 – Садовый шланг и нефтяная труба
Понятное дело, что садовый шланг, так как его диаметр в разы меньше, чем диаметр нефтяной трубы.
Тогда другой вопрос. Какой шланг будет обладать большим сопротивлением потоку воды с учетом того, что их длины и диаметры равны, гладкий или гофрированный?
Рисунок 2 – Садовый шланг гладкий и гофрированный
Разумеется, гофрированный. Вода будет «цепляться» за его стенки, что приведет к тому, что они будут мешать потоку воды.
Тогда еще вот такая задачка. Есть два абсолютно одинаковых шланга, но один длиннее, а другой короче. Какой из шлангов будет оказывать большее сопротивление потоку воды?
Рисунок 3 – Садовый гофрированный шланг разной длины
Думаю, тот, который длиннее. Ответ очевиден.
Также и с электричеством: сила тока, проходящего через проводник за секунду, зависит от сопротивления проводника. Только кроме длины и площади сечения на сопротивление влияет материал, из которого проводник сделан [5].
Формула сопротивления выглядит так
(2)
где l — это длина проводника,
S — площадь его сечения,
ρ — удельное сопротивление, у каждого материала оно своё.
Вещества с низким удельным сопротивлением называются проводниками, они проводят электричество наиболее эффективно. Вещества с высоким удельным сопротивлением называют диэлектриками – их можно использовать в качестве изоляторов.
Сопротивление измеряется в Омах в честь немецкого ученого Георга Ома. Проводник обладает сопротивлением в 1 Ом, если на его концах возникает напряжение в 1 Вольт при силе тока в 1 Ампер. Напряжением называется физическая величина U, равная отношению работы по перемещению заряда A, выполненной электрическим полем, к величине заряда q[6].
(3)
Измеряется напряжение в вольтах в честь Алессандро Вольта, итальянского учёного-физика, одного из авторов учения об электричестве, известного физиолога и химика.
Для исследования процессов, протекающих в проводниках при протекании электрического тока нам нужны знания закона Ома для участка цепи, который свидетельствует о том, что сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах участка и обратно пропорциональна его сопротивлению
, (4)
где I – сила тока в участке цепи,
U – напряжение напряжению на концах участка,
R – сопротивление участка.
При подключении электрической цепи проводники могут быть подключены последовательно или параллельно.
При последовательном соединении проводники соединены последовательно друг за другом, то есть конец одного проводника соединяется с началом другого. Все проводники принадлежат одному проводу, на котором нет разветвлений. Это приводит к тому, что через любой из проводников протекает один и тот же ток, а общее напряжение на них будет складываться из напряжений на каждом.
Рисунок 4 – Свойства последовательного соединения проводников
При таком соединении проводники соединены параллельно друг другу, то есть одни концы всех проводников соединены в одну точку, а другие концы в другую точку. Это приводит к тому, что на проводниках одинаковые напряжения, однако каждый проводник принадлежит своему проводу, поэтому через каждый из них протекает свой ток.
Рисунок 5 – Свойства параллельного соединения проводников
Теперь нам предстояло все наши знания проверить на опытах.
2. Описание экспериментального оборудования и план эксперимента
Для выполнения эксперимента нам понадобились следующие инструменты и элементы электрической цепи:
-
источник питания – батарея гальванических элементов напряжением 4,5 В;
-
лампы накаливания;
-
ключ;
-
п ровода;
-
набор отверток;
-
бокорезы.
После того, как было подобрано все необходимое оборудование, нами был составлен план эксперимента, который включал:
-
разборку схем электрических цепей последовательного и параллельного соединений;
-
подготовку электрических проводов (выбор длины, зачистку изоляции, расчет количества);
-
расчет необходимого числа элементов цепи;
-
сборка последовательного соединения цепи;
-
оформление схемы электрической цепи последовательного соединения;
-
наблюдение за элементами цепи;
-
сборка параллельного соединения цепи;
-
оформление схемы электрической цепи параллельного соединения;
-
наблюдение за элементами цепи;
-
сборка смешанного соединения цепи, включающей последовательное и параллельное соединения;
-
оформление схемы электрической цепи, включающей последовательное и параллельное соединения;
-
наблюдение за элементами цепи.
3. Сборка электрических цепей, проверка справедливости законов электродинамики и свойств различных соединений проводников на практике
Сборку электрических цепей мы начали с последовательного соединения, котором подключили последовательно с источником тока лампы накаливания: сначала одну, потом две, после три (рисунок 6).
Рисунок 6 – Последовательное соединения проводников
При анализе сборки таких электрических цепей мы обратили внимание на то, что лампы накаливания при подключении одной или двух ламп, светились по-разному, а это значит, что так как сила тока в цепи одинаковая, значит электрическое поле на этих участках совершало разную работу, следовательно, напряжение на данных участках было разным. Это и подтверждало разную яркость свечения ламп накаливания.
Параллельное соединение проводников имело вид, представленный на рисунке 7.
При анализе сборки такой электрической цепи мы обратили внимание на то, что лампы накаливания при подключении одной, двух и трех ламп, светились одинаково, а это значит, что электрическое поле на этих участках совершало одинаковую работу, следовательно, напряжение на данных участках было одинаковым. Это и подтверждало одинаковую яркость свечения ламп накаливания.
Рисунок 7 – Параллельное соединения проводников
Собрав третью электрическую цепь, состоящую из последовательного соединения двух параллельных участков, мы убедились в справедливости свойств параллельного и последовательного соединения проводников и в объективности закона Ома для участка цепи (рисунок 10).
Рисунок 10 – Смешанное соединения проводников
В результате нашей совместной работы нам удалось убедиться в том, что сила тока в цепи последовательного соединения одинаковая, а электрическое поле на этих участках совершает разную работу, следовательно, напряжение на данных участках разное, и это подтверждается разную яркостью свечения ламп накаливания.
При параллельном подключении одной, двух и трех ламп накаливания они светились одинаково, а это значит, что электрическое поле на этих участках совершало одинаковую работу, следовательно, напряжение на данных участках было одинаковым, несмотря на то, что сила тока на этих участках была равна сумме эквивалентной силе тока всего соединения. Это и подтверждало одинаковую яркость свечения ламп накаливания.
4. Обработка результатов исследований и формулировка выводов
Исходя из проведенных исследований нам удалось выяснить, что электрический ток в металлических проводниках – это направленное движение заряженных частиц (электронов) под действием электрического поля, которое создается источником тока. Основные физические величины, характеризующие электрический ток и его работу это сила тока и электрическое сопротивление. В зависимости от того, на сколько проводник может сопротивляться протеканию электрического ока каждый проводник обладает электрическим сопротивлением, которое зависит от геометрических размеров и материала проводника.
Опытным путем нам удалось выяснить, что параллельное и последовательное соединения проводников отличается не только способом подключения, но и электрическими характеристиками каждого соединения.
Так, если соединение последовательное, то электрический ток не изменяет своего значения, а электрическое поле совершает разную работу, поэтому лампочки в цепи горят тем слабее, чем их больше в цепи. Так, например, устроена елочная гирлянда. При расчете общего сопротивления цепи, можно рассчитать необходимое количество лампочек и их напряжение, чтобы они горели с одинаковой яркостью.
Если соединение параллельное, что лампочки горят одинаково, т.е. электрическое поле совершает одинаковую работу. Так устроены электрическая сеть в наших домах.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Физика – одна из наук, которая изучает природу. Объектом ее изучений являются различные явления, которые происходят вокруг нас.
Первая и главная важная задача физики – понять, как функционирует Вселенная, и помочь в совершении новых открытий с течением времени.
Сегодня мы живем в мире, где физика изменила нашу жизнь.
В своей работе нам удалось на основе теоретических данных и проделанных опытах выяснить, что зависимость силы тока от напряжения и электрического сопротивления характеризуется свойствами последовательного и параллельного соединения проводников.
Если соединение последовательное, то электрический ток не изменяет своего значения, а электрическое поле совершает разную работу, поэтому лампочки в цепи горят тем слабее, чем их больше в цепи. Если соединение параллельное, что лампочки горят одинаково, т.е. электрическое поле совершает одинаковую работу. Так устроены электрическая сеть в наших домах.
Таким образом, цель, поставленная в начале работы - исследовать свойства последовательного и параллельного соединения проводников с использованием лабораторного оборудования Electrical Сircuits. достигнута.
Все поставленные задачи решены.
Одновременно могут работать холодильник, чайник, посудомоечная машина и другое оборудование. Но хватит ли на это мощности? Это вопрос. И этот вопрос нам придется решать в своей следующей работе. Это является направлением наших дальнейших исследований.
«Люди вроде нас, верящие в физику, знают, что различие между прошлым, настоящим и будущим — лишь упорно живучая иллюзия»
Альберт Эйнштейн
.
Список использованных источников и литературы
-
https://wika.tutoronline.ru/fizika/class/7/vidy-elektricheskogo-toka-i-ego-harakteristiki (17.01.2024)
-
ГОСТ 15596-82 Источники тока химические. Термины и определения
-
Богатин Г., Пионтковский Б. Гальванические элементы и батареи различного назначения. // «Радио», 1955, № 7, с. 55-56
-
Батарея электрическая // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). - СПб., 1890-1907.
-
https://foxford.ru/wiki/fizika/napragenie-voltmetr (20.01.2024)
-
https://plato.stanford.edu/entries/physics-experiment/ (04.02.2024)
-
https://citatnica.ru/citaty/interesnye-tsitaty-o-fizike-70-tsitat (15.02.2024)