XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проверка на практике закона Ома

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Новых С.А. 1

---

1МАОУ СОШ №94 города Тюмени

Зуйкова Г.В. 1

---

1МАОУ СОШ №94 города Тюмени

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Электричество окружает нас со всех сторон с самого рождения. Свет ламп, музыка из проигрывателя, телевизор, телефон и многое, многое другое. И практически всё это так или иначе связано с электричеством, именно электричество приводит в движение лифты, заставляет крутиться карусели в парке аттракционов и зажигает экран в кинотеатре.

Недавно папа проверял заряд батареек и рассказал мне про разное напряжение заряженной и севшей батарейки. Меня заинтересовало, какими ещё свойствами обладает электричество? Как их можно измерить и как они взаимосвязаны? Так как раздел «электричество» на уроках физики ещё не скоро, я решила найти ответы на эти вопросы.

Цель проекта: знакомство с электричеством, проверка на практике закона Ома для замкнутой цепи.

Задачи: ознакомиться с электрическими цепями, измерить параметры тока для полной цепи и отдельных её участков, провести анализ результатов измерений.

Гипотеза:

1. Напряжение пальчиковых элементов соответствует этикетке, напряжение восьми элементов, соединенных последовательно составляет 12 В.

2. Допустим, что при параллельном и последовательном соединении лампочек разной мощности ярче будет гореть та, мощность которой больше.

3. Предположим, что напряжение источника тока остается неизменным при подключении потребителей разной мощности

4. Возможно, что сопротивление лампы накаливания и вентилятора постоянно.

Объект работы: источники и потребители тока.

Предмет исследования: напряжение, сила тока, сопротивление потребителей тока.

Методы исследования: изучение информации в книгах, на Интернет-ресурсах, проведение экспериментов, анализ результатов, формулирование выводов.

Основой для написания работы послужили учебники по физике и другие книги (Приложение II Фото 1), статьи на информационных порталах об электричестве.

Ожидаемые результаты: изучить основные характеристики электричества, замерить напряжение, силу тока и сопротивление, сделать выводы.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

   1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК

Начать изучение свойств электрического тока я решила с определения. (Приложение II. Фото 1). Согласно учебнику физики за 8 класс под редакцией Перышкина А.В. «Электрическим током называется упорядоченное (направленное) движение заряженных частиц» [1:95].

Чтобы заряженные частицы начали двигаться упорядоченно, нужно устройство принуждающие частицы двигаться в одном направлении. Такие устройства называются источниками электрического тока.

Источники тока бывают различные, но во всяком из них происходит переход различных видов энергии в электрическую [3]. В химических источниках тока электричество возникает вследствие протекания химических реакций. Химические реакции могут быть необратимыми, такие источники называются гальваническими элементами, либо обратимыми – аккумуляторы. Физических источников тока есть несколько типов:

• электромагнитные генераторы преобразуют механическую энергию в электрическую, являются основным источником электроэнергии для человека;

• солнечные батареи непосредственно преобразуют энергию солнечной радиации в электрическую;

• термоэлектрический генератор служит для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую;

• работа термоэмиссионного преобразователя энергии основана на явлении испускания электронов поверхностью нагретого металла;

• ядерная батарея преобразует энергию распада ядер радиоактивных элементов в электрическую.

От источника тока к потребителям электричества ток движется по проводникам. Проводниками электрического тока могут быть твердые тела, жидкости и, в определенных условиях, даже газы. На практике чаще всего используют металлические проводники, медные или алюминиевые, так как они хорошо пропускают ток, достаточно компактны, прочны и позволяют легко изменять свою форму.

Потребителями электричества могут быть самые разные устройства и приборы: лампочки и вентиляторы, обогреватели и компьютеры.

1. 2. ПАРАМЕТРЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

Наблюдения за электричеством можно описать измерениями параметров тока и электрической цепи. Основных параметров несколько: сила тока, напряжение, сопротивление.

Сила тока – электрический заряд, проходящий через поперечное сечение проводника за 1 секунду [1:107]. Согласно опытам, сила тока определяет интенсивность, степень действия, электрического тока. При записи формул силу тока принято обозначать буквой "I", что восходит к латинскому слову "intensitas", которое означает интенсивность или сила. Единица измерения названа в честь французского физика и математика Андре Мари Ампера – ампер (А).

Напряжение – это физическая величина, характеризующая электрическое поле, показывает, какую работу совершает электрическое поле при перемещении единичного положительного заряда из одной точки в другую [1:114]. При записи формул напряжение принято обозначать буквой "U", по одной из версий от латинского слова "urgere" — побуждать, толкать, давить. Единица измерения названа в честь итальянского физика Алессандро Вольта – вольт (В).

Распространению электрического тока по проводнику препятствует свойство проводника, называемое сопротивлением [1:122]. Единицу измерения сопротивления называют Ом, в честь немецкого физика Георга Симона Ома. При записи формул обозначают "R", от слова "resistance" (сопротивление) на английском языке.

Связь параметров тока описывается законом Ома:

Сила тока в участке цепи прямо пропорциональна напряжению на концах этого участка и обратно пропорциональна его сопротивлению.

Ещё одним параметром является мощность тока, вычисляемая как произведение силы тока и напряжения на участке цепи [3:96].

P=I*U

За единицу тока принят Ватт (Вт). При записи формул обозначается "P", от английского "Power" – мощность.

1. 3. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Важным элементом проведения экспериментов является обработка результатов измерений. Полученные результаты важно представить в наглядной форме, удобной для анализа. В своей работе я использовала таблицы, гистограммы и графики.

В таблицы удобно заносить результаты измерений, они позволяют в компактном виде представлять значительный объём данных. Также таблицы являются основой для построения гистограмм и графиков в специализированном программном обеспечении.

Гистограммы позволяют наглядно сопоставлять результаты замеров одинаковых величин для разных экспериментов

Графики показывают характер зависимости одной величины от другой [2:22]. Глядя на график, сразу же видно монотонная зависимость или нет, если монотонная, то какая - возрастающая, убывающая, линейная и т.д., если же не монотонная, то где максимум или минимум, точка перегиба и прочее. Для линейных зависимостей определяют угол наклона, точки пересечения с осью абсцисс и ординат.

1. 4. ВЫВОД

В теоретической части работы представлено определение что такое электрический ток, какие бывают источники и потребители тока, какими характеристиками он обладает, способы обработки и представления результатов замеров характеристик.

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

   1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СХЕМЫ

Прежде чем собирать электрическую цепь, я решила её нарисовать. Рисунок электрической цепи называют схемой [7]. На схеме все элементы цепи имеют свои условные обозначения (Приложение I. Рис. 1).

Электрические цепи чаще всего содержат несколько элементов, соединенных между собой. Различают два вида соединения: последовательное и параллельное [6]. 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 (Приложение I. Рис. 2 а). При параллельном 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 (Приложение I. Рис. 2 б).

1. 2. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Силу тока и напряжение измеряют амперметром и вольтметром соответственно. Чтобы провести измерение силы тока, необходимо весь ток, проходящий по цепи, пропустить через амперметр, для этого амперметр должен быть соединен последовательно (Приложение I. Рис. 3). Соответственно, чтобы амперметр в минимальной степени оказывал влияние своим присутствием на измеряемую силу тока, его сопротивление должно быть минимальным. Вольтметр соединяется параллельно, что обуславливает одинаковое напряжение на измерительном приборе и измеряемом участке цепи (Приложение I. Рис. 3). В свою очередь, чтобы вольтметр не влиял на результат измерения, его сопротивление должно быть очень большим, чтобы через него протекал минимальный ток. Прибор для измерения сопротивления называют омметром, подключают параллельно измеряемому элементу цепи. Омметр не измеряет сопротивление непосредственно, а рассчитывает его с помощью закона Ома: используя встроенный источник тока выводы подаётся заданное напряжение и измеряется сила тока.

Очень важно подключать измерительные приборы правильно. Если вольтметр включить в цепь последовательно, то из-за его высокого сопротивления ток по цепи не потечет, будет казаться, что выключен выключатель или где-то оборван провод. Если амперметр включить в цепь параллельно, это будет равносильно короткому замыканию, что грозит выходом из строя источнику питания или самому амперметру.

В своей работе в качестве источника тока я использовала батарею из восьми гальванических элементов формата АА (пальчиковых батареек). Согласно этикетке, напряжение одного элемента 1.5В, элементы в батарее соединены последовательно, на выходе батареи должно получиться напряжение 12В. Выбор напряжения обусловлен с одной стороны соображениями безопасности [5:10], с другой стороны данное напряжение имеет широкое распространение – является стандартом в легковых автомобилях, в бытовом освещении, используется в компьютерных периферийных устройствах. В корпусе батареи расположен ключ, позволяющий замыкать и размыкать цепь.

1. 3. ЭКСПЕРИМЕНТЫ

Эксперимент 1.

Цель: Замер напряжения на выводах батареи.

Перед началом проведения экспериментов на цепи, я решила замерить напряжение на выводах батареи без нагрузки (Приложение II. Фото 2). Согласно измерениям, напряжение на выводах одного нового элемента без нагрузки составляет 1.62-1.63В, напряжение батареи из 8 элементов 13В (Приложение I. Таблица 1).

Также повторила замеры батареи после проведения всех экспериментов, напряжение на одном элементе составило 1.4-1.41 В, напряжение батареи 11.3В(Приложение I. Таблица 1).

Вывод: напряжение на выводах батареи не остаётся неизменным, потребители электричества, в свою очередь, рассчитаны на питание электричеством в широком диапазоне напряжений.

Эксперимент 2.

Цель: собрать цепь спараллельным и последовательным соединением ламп, провести замеры параметров тока.

Схема параллельного соединения ламп представлена на Рис. 4а Приложение I. Замеры параметров тока я проводила с помощью вольтметра и амперметра меняя их положение в цепи (Приложение I. Рис. 4 а, б, в), замеры проведены для пары одинаковых ламп 12В 5Вт и пары ламп 12В 5Вт, 12В 10 Вт. Схема последовательного соединения представлена на Рис. 5а Приложение I. Замеры проведены с разным положением измерительных приборов, для двух пар ламп той же мощности. Результаты замеров представлены на Рис. 6 Приложение I.

Результаты замеров показывают, что при параллельном соединении напряжение на обоих лампах одинаковое (для ламп одной мощности и для ламп разной мощности) и равно напряжению на выводах батареи. Сила тока для лампы зависит от её мощности, чем больше мощность, тем больше сила тока. Сила тока в общей цепи складывается из сил тока для каждой лампы. Чем больше мощность лампы, тем ярче она горит (Приложение II. Фото 3).

При последовательном соединении сила тока одинаковая для каждого потребителя, а напряжение отличается. При этом чем больше сопротивление потребителя, тем больше падение напряжения на нём, тем больше потребляемая мощность. При последовательном подключении двух ламп разной мощности ярче горит лампа, у которой мощность меньше (Приложение II. Фото 4).

Также графики показывают, что напряжение на выводах батареи для каждой схемы разное. Это связано с разной мощностью, потребляемой лампами при различных схемах подключения: чем больше потребляемая мощность, тем ниже напряжение на выводах батареи. Сила тока в цепи тем выше, чем ниже сопротивление. Также следует отметить, что согласно расчетам, сопротивление одних и тех же ламп отличается при различных способах подключения.

Вывод: при параллельном соединении чем мощнее лампа, тем ярче она горит, при последовательном соединении, чем мощнее лампа, тем тусклее она светится.

Эксперимент 3.

Цель: замер напряжения и тока в цепи с различными потребителями

Во втором эксперименте я собрала простую цепь с батареей и одним потребителем (Приложение I. Рис. 7а, Приложение II. Фото 5) и замеряла напряжение и силу тока при подключении разных потребителей (лампы накаливания различной мощности, светодиодную лампу, вентилятор). Далее в цепь добавила ещё одну батарею, подключив её параллельно первой (Приложение I. Рис. 7б) и также провела ряд замеров. Полученные результаты приведены на графике (Приложение I. Рис. 8).

Результаты замеров показывают, что чем ниже сопротивление потребителя, тем выше его электрическая мощность. Также следует отметить, что при снижении сопротивления растет ток в цепи, и снижается напряжение.

Падение напряжения на потребителе объясняется увеличением потерь в батарее при увеличении силы тока. Для двух батарей падение напряжения при подключении потребителей меньше, чем для одной, так как при параллельном подключении, через каждую из них течет меньший ток, внутреннее сопротивление батареи обуславливает меньшие потери.

Результаты замеров показывают линейную зависимость силы тока и напряжения, что соответствует закону Ома. Трендовая кривая на графике показывает свойства батареи:

• угловой коэффициент на трендовой кривой показывает силу тока при падении напряжения на 1В;

• пересечение с осью ординат – максимальную силу тока;

• пересечение с осью абсцисс – напряжение батареи без нагрузки.

Зная силу тока и напряжение, я рассчитала сопротивление потребителей согласно закону Ома, а потом замерила сопротивление с помощью омметра. Сопоставление полученных замеров представлено на гистограмме (Приложение I. Рис. 9). Сопротивление светодиодной лампы и вентилятора замерить омметром не получилось, так как управляющая электроника этих потребителей не пропускает ток до достижения определенного минимального напряжения.

Для ламп накаливания получены очень существенные расхождения в замерах омметра и расчета. Это связано с влиянием температуры на сопротивление нити накаливания. Для подтверждения этого наблюдения я провела следующий эксперимент.

Вывод: чем большая нагрузка подключена к источнику питания, тем сильнее падает напряжение на нем, два источника тока, подключенные параллельно, обеспечивают меньшее падение напряжения, чем один источник тока.

Эксперимент 4

Цель: оценка влияния напряжения на сопротивление лампы накаливания и вентилятора

Для проведения эксперимента я выбрала две лампы накаливания:

1. Рассчитанную на напряжение 12В, мощностью 10Вт

2. Рассчитанную на напряжение 24В, мощностью 40Вт

По результатам замеров омметром эти лампы обладают схожим сопротивлением: 1.3Ом и 1.1Ом, соответственно. Также провела замеры для вентилятора, сопротивление которого не должно зависеть от напряжения. Результаты замеров приведены на графиках (Приложение I. Рис. 10).

Графики показывают, что сопротивление ламп накаливания возрастает при увеличении напряжения, сопротивление вентилятора остаётся практически неизменным. На графике зависимости силы тока от напряжения точки замеров вентилятора (за исключением первых двух) лежат на прямой, что соответствует закону Ома. Точки для ламп накаливания не ложатся на одну прямую, так как сопротивление меняется вместе с напряжением.

Стоит отметить, что лампа, рассчитанная на 12В выдержала подключение к напряжению 18.2В, при этом потребляемая мощность оказалась вдвое больше паспортной (20Вт вместо 10Вт), а вот вентилятор после замеров на 19.2В проработав несколько секунд вышел из строя.

Вывод: сопротивление ламп накаливания зависит от напряжения, чем выше напряжение, тем выше сопротивление, сопротивление вентилятора от напряжения не зависит.

1. 4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Мне было интересно знакомиться с электричеством, и я решила, что моих сверстников также заинтересует эта тема. Я рассказала о своей работе ученикам шестых классов своей школы (Приложение II. Фото 6). Ребята с интересом слушали об электричестве и его характеристиках, попробовали сами собрать электрическую цепь и измерить ток.

Кроме того, я презентовала результаты старшеклассникам, обменялась опытом проведения экспериментов

ВЫВОД

В ходе проведения практической части работы я познакомилась с составлением электрических схем, последовательным и параллельным подключением элементов цепи, измерительными приборами и способами их подключения. Составленные схемы были собраны в натуре, проведены измерения, выполнен анализ полученных результатов и сделаны выводы.

Результаты замеров показывают, что:

• напряжение на батарее снижается при работе;

• при параллельном соединении чем мощнее лампа, тем ярче она горит, при последовательном соединении, чем мощнее лампа, тем тусклее она светится;

• чем большая нагрузка подключена к источнику питания, тем сильнее падает напряжение на нем;

• сопротивление ламп накаливания зависит от напряжения, чем выше напряжение, тем выше сопротивление.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первая глава моей исследовательской работы посвящена знакомству с электричеством. В главе дано определение электрического тока, приведены примеры источников и потребителей тока, перечислены параметры электрического тока, единицы измерения и подходы к обработке результатов измерений.

Во второй главе рассказано об электрических схемах, измерительных приборах и приведено описание проведенных экспериментов. Эксперименты проведены для проверки гипотез. Проверка первой гипотезы о напряжении одной пальчиковой батарейки и напряжении батареи из восьми элементов показала, что реальное напряжение близко к указанному на этикетке, но зависит от степени заряда: у новой батарейки напряжение чуть больше номинала, но по мере работы оно неуклонно снижается.

Наблюдения показали, что при параллельном подключении пары лампочек разной мощности ярче горит более мощная, при последовательном подключении ярче горит лампочка с меньшей мощностью. При подключении потребителей к источнику тока, напряжение на нем снижается, чем больше мощность подключенного потребителя, тем сильнее снижается напряжение.

Последняя гипотеза подтвердилась частично: сопротивление вентилятора, действительно, постоянно, а вот сопротивление лампы накаливания возрастает по мере роста напряжения.

Цели работы достигнуты, я познакомилась с электрическим током, проверила на практике закон Ома для замкнутой цепи.

В дальнейшемпланирую продолжить знакомство с электричеством, на уже имеющейся установке проверить гипотезы, возникшие в ходе выполнения работы, провести эксперименты с другими источниками и потребителями эклектического тока.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. А.В. Перышкин. Физика. 8кл.: учеб. Для общеоразоват. учреждений / А.В. Перышкин. – М.: Дрофа, 2013. – 237 с.

2. А. В. Аминев, О. Е. Кириллов. Методы обработки и представления результатов лабораторной работы. / А. В. Аминев, О. Е. Кириллов. – Екатеринбург: УрФУ, 2019. - 29 с.

3. Большая Российская энциклопедия: сайт / Министерство культуры Российской федерации / [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://old.bigenc.ru/technology_and_technique/text/2025995?ysclid=m778de6yeq958792347 (

4. В.П. Дельцов, В.В. Дельцов. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО. Физика: дойти до самой сути! / В.П. Дельцов, В.В. Дельцов. – М.: ЛЕЛАНД, 2017. – 304с.

5. Калиничева О.А. Основы электробезопасности в электроэнергетике: учебное пособие. / Калиничева О.А. – Архангельск: «С(А)ФУ», 2015. – 126 с.

6. Фоксфорд, онлайн-школа: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://foxford.ru/wiki/fizika/posledovatelnoe-i-parallelnoe-soedinenie-provodnikov?ysclid=m7fxr3mb25713631925&utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

7. ЯКласс, цифровой образовательный ресурс для школ: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://www.yaklass.ru/p/fizika/8-klass/postoiannyi-elektricheskii-tok-7590806

Приложение I.

Таблица 1 Результаты замера напряжения батареи

Рис. 1 Условные обозначения, применяемые на электрических схемах

Рис. 2 Схемы последовательного и параллельного соединения

Рис. 3 Положение амперметра и вольтметра на схеме

Рис. 4 Параллельное соединение ламп

Рис. 5 Последовательное соединение ламп

Рис. 6 Результаты замеров при параллельном и последовательном соединении

Рис. 7 Схемы с одним потребителем, одной и двумя батареями

сопротивление, Ом/мощность, Вт

Рис. 8 Результаты замеров силы тока и напряжения для разных

потребителей

Рис. 9 Результаты расчетов и замеров сопротивления потребителей

Рис. 10 Результаты замеров зависимости сопротивления и силы тока от напряжения

Приложение II.

Фото 1. В центре семейного чтения имени А.С. Пушкина.

Изучение теории.

Фото 2. Замер напряжения на батарее без нагрузки

Фото 3. Параллельное соединение двух ламп разной мощности

Фото 4. Последовательное соединение двух ламп разной мощности

Фото 5. Измерение параметров тока в цепи с одним потребителем

Фото 6. Знакомство учеников шестых классов с результатами работы