ТЕМА № 14
ЗАКОН ОМА
Введение
Цель работы – овладеть демонстрационными опытами, иллюстрирующими проявление и способы измерения разности потенциалов; ЭДС источника тока и показывающими справедливость закона Ома.
- научиться определять принадлежность демонстраций к конкретной школьной теме 7-9 классов и 10-11 классов, используя нормативные документы (федеральный компонент государственного образовательного стандарта общего образования), рекомендованные учебники физики для образовательных учреждений, программы по физике.
Закон Ома – один из основных законов электрического тока, изучаемых в средней школе. Успешное его изучение возможно в том случае, если учащиеся предварительно усвоят фундаментальные понятия электродинамики, в первую очередь к которым относятся: «разность потенциалов»; «ЭДС источника тока» и «напряжение».
Особенностью опытов по этой теме следует считать их количественный характер. Для успешного их выполнения требуется тщательная предварительная подготовка.
Для постановки демонстрационных опытов по этой теме, кроме основного оборудования – электроизмерительных приборов и реостатов, различных источников постоянного напряжения, необходимо иметь еще один демонстрационный прибор, выпускаемый промышленностью – ванну с электродами.
Ванна с электродами представляет собой раздвижной гальванический элемент со щупами: в прямоугольную ванну из органического стекла устанавливают цинковый и угольный электроды, закрепленные в пластмассовых держателях с зажимами, и два щупа из медного провода в хлорвиниловой изоляции. У нижних концов щупов, опускаемых в электролит, снята изоляция, а верхние концы закреплены в пластмассовых держателях с зажимами.
Этот прибор предназначен для демонстрации независимости ЭДС химических источников тока от размеров электродов, для введения понятия внутреннего сопротивления источника тока и для экспериментальной иллюстрации справедливости закона Ома для замкнутой цепи.
При использовании прибора для проведения опыта следует с внешней стороны ванны наклеить полоску из миллиметровой бумаги, чтобы измерять расстояния между электродами гальванического элемента.
При отсутствии такого прибора в физическом кабинете школы учитель может изготовить его самостоятельно. Для опытов по этой теме необходимо изготовить добавочное сопротивление к демонстрационному вольтметру, чтобы вся шкала была рассчитана на 1В, и к демонстрационному амперметру шунт на 1А.
Выполнение практических заданий
Рис.1
|
Задание 1. Проиллюстрируйте возбуждение кратковременного тока в металлическом проводнике под воздействием разности потенциалов на концах проводника.
Оборудование: два электрометра с шаровыми кондукторами, разрядник с неоновой лампочкой.
Соберите установку, показанную на рис. 1. Зарядите один из электрометров до некоторого потенциала относительно земли. Второй электрометр, корпус которого также заземлен, оставьте незаряженным. Соедините оба электрометра разрядником и покажите появление кратковременного электрического тока.
Рис.2
|
Задание 2. Покажите, что для существования электрического тока в цепи в течение длительного времени необходимо наличие источника тока.
Оборудование: электрометр, электрофорная машина, соединительные провода, электрическая лампочка.
Для этого соберите установку, показанную на рис. 2. Электрометр установите на изолирующем столике (или изолирующей подставке). В качестве источника тока воспользуйтесь электрофорной машиной; в качестве индикатора тока возьмите лампочку.
Рис.3
|
Задание 3. Покажите, что ЭДС химического источника тока не зависит от размеров электродов и расстояния между ними.
Оборудование: гальванический элемент, демонстрационный вольтметр с дополнительным сопротивлением на 5В.
Соберите установку по рис.3
Покажите, что показания вольтметра не меняются ни от изменения расстояния между электродами, ни от глубины погружения электродов.
Рис.4
|
Задание 4. Покажите существование внутреннего сопротивления источника тока.
Оборудование: магазин сопротивлений, реостат (R=10 Ом, I=2А), гальванический элемент.
Соберите установку по рис.4. Покажите, что при неизменном внешнем сопротивлении величина тока изменяется при изменении взаимного расстояния между электродами и при различной глубине погружения электродов.
Задание 5. Покажите зависимость между силой тока и полным сопротивлением цепи (качественно) при одной и той же ЭДС источника.
Оборудование: магазин сопротивлений, реостат (R=10 Ом, I=2А), гальванический элемент, ключ.
Соберите установку по рис. 4., добавив в цепь ключ. Расположите электроды раздвижного элемента на расстоянии L1=L (по шкале на сосуде раздвижного элемента) и во внешней цепи установите R1=R. Замкните ключ, отметьте силу тока I1.
Увеличьте расстояние между электродами и внешнее сопротивление, например, L2=2L; R2=2R. Отметьте показания амперметра I2.
Увеличьте расстояние между электродами и внешнее сопротивление, например, L3=3L; R3=3R. Отметьте показания амперметра I3.
Сделайте вывод.
Задание 6. Проиллюстрируйте закон Ома для замкнутой цепи.
Оборудование: источник тока (батарея питания из пяти последовательно соединенных одинаковых сухих элементов), магазин сопротивлений, соединительные провода, вольтметр с добавочным сопротивлением на 5 В.
Первый способ. Соберите установку по рис.5. Измерьте ЭДС батареи Е1 и ток I1.
Не меняя полного сопротивления цепи, включите батарею с ЭДС Е2 – 3е (один из элементов, только не крайний, направьте навстречу соседнему) и измерьте силу тока I2.
При том же полном сопротивлении включите батарею с ЭДС Е3 – е (еще один элемент поставить навстречу соседнему), измерьте ЭДС и ток I3.
Полученные результаты запишите в таблицу.
| ЭДС Е | Сила тока I | Отношение Е/I |
| Е1 = 5е | I1 = | Е1 / I1= |
| E2 = 3е | I2 = | E2 / I2= |
| E3 = е | I3 = | E3 / I3= |
Рис.5 Рис.6
|
Сделайте вывод.
Второй способ. Соберите установку по рис.6. Используйте R – магазин сопротивлений, вольтметр с добавочным сопротивлением на 5В, амперметр с шунтом (реостат R=10 Ом, I=2А), источник тока – батарея сухих элементов.
Покажите, что U/I= const.
Задание 7. Проиллюстрируйте справедливость закона Ома для участка цепи, включающего источник ЭДС.
Оборудование: два сухих элемента, выпрямитель ВС–4÷12, соединительные провода, реостат, магазин сопротивлений, амперметр, ключ, вольтметр.
Соберите установку по рис.7,где Еу – два последовательно соединенных сухих элемента, AB – исследуемый участок цепи, Е – ЭДС, питающая цепь. Покажите, что для участка цепи, включающего источник
ЭДС, отношение U/I ¹ const.
Последовательность выполнения опыта:
– Включить Еу Е Отметить силу тока I.
| Рис.7 |
– Включить Еу ¯ Е. При помощи реостата R установить ту же величину тока.
– Включить Еу так, чтобы два ее элемента были направлены навстречу друг другу
(Еу = 0). Установить ту же величину тока I.
Вычислить U/I. Сделайте вывод.
Контрольные вопросы и задания
1. На основе каких приемов и опытов введены представление о независимости ЭДС химических источников тока от размеров электродов и расстояния между ними, понятие внутреннего сопротивления источника тока, проиллюстрирована справедливость закона Ома для замкнутой цепи? Как это сделано в школьном учебнике физики?
2. Какие погрешности нужно учитывать при выполнении каждого задания? Как их можно уменьшить?