Съдържание

Условие Часть 1. Электрическая лампочка.Часть 2. Светодиод.Часть 3. Параллельное соединение.Часть 4. Последовательное соединение.Решение

BelPhO 2011, Областен етап, 9–11 клас — Задача 1. 9 класс. Задание 1. Последовательное и параллельное соединение … проводников.

Оригинал на условието (PDF)Съобщи за грешка

Всички материали от BelPhO 2011

Республиканская физическая олимпиада 2011 год (III этап). Экспериментальный тур

Указания к экспериментальному туру

Полный комплект состоит из двух заданий, на выполнение каждого отводится два с половиной часа. Сдавать работу следует после выполнения обоих заданий.
Ознакомьтесь с перечнем оборудования – проверьте его наличие и работоспособность. При отсутствии оборудования или сомнении в его работоспособности немедленно обращайтесь к представителям оргкомитета.
При оформлении работы каждую задачу и каждую ее часть начните с новой страницы. Первая половина тетради предназначена для чистовика – вторая черновика.
Все графики рекомендуем строить на листе миллиметровой бумаги, выданном для выполнения каждого задания. Обязательно пронумеруйте и подпишите все построенные графики. Листы миллиметровой бумаги вложите в свою тетрадь.
Подписывать тетради, отдельные страницы и графики запрещается.
В ходе работы можете использовать ручки, карандаши, чертежные принадлежности, калькулятор.
Со всеми вопросами, связанными с условиями задач (но не с их решениями), обращайтесь к представителям Жюри.

Желаем успехов в выполнении данных заданий!

Условие

Приборы и оборудование: источник тока (ЛИП или батарейка 4,5 В), цифровой мультиметр, реостат 6 Ом, лампочка накаливания на подставке, светодиод, проволочный резистор 1,0 Ом, ключ трехполюсный, соединительные провода.

Введение.

Во всех пунктах данного задания Вам необходимо измерять вольтамперные характеристики (ВАХ) различных устройств – зависимость силы тока от приложенного напряжения. Разработайте и нарисуйте схему электрической цепи, позволяющей проводить такие измерения: то есть изменять напряжение на исследуемом элементе и измерять как это напряжение, так силу тока.

При разработке схемы подключения учитывайте, что вам необходимо измерять напряжение и силу тока с помощью одного вольтметра, который рекомендуем для экономии времени подключать по схеме, показанной на рисунке (внизу – трехполюсный ключ, для цифрового вольтметра полярность подключения не существенна).

Схема подключения вольтметра: вольтметр V, подключенный к среднему выводу трехполюсного ключа (внизу), два крайних провода со стрелками вверх ведут к точкам подключения.

Схема регулировки напряжения: источник тока подключен к концам реостата, движок реостата (стрелка) и нижний провод ведут к блоку «исследуемая цепь».

Для изменения напряжения, подаваемого на исследуемые элементы, рекомендуем использовать следующую схему подключения.

Часть 1. Электрическая лампочка.

1.1 Измерьте зависимость силы тока через лампочку накаливания от напряжения на лампочке.

1.2 Постройте график полученной зависимости, дайте его качественное объяснение.

Часть 2. Светодиод.

2.1 Измерьте зависимость силы тока через светодиод от приложенного к нему напряжения.

2.2 Постройте график полученной зависимости.

Внимание! Соблюдайте полярность подключения светодиода – он должен загораться при напряжении около 1 В.

Часть 3. Параллельное соединение.

3.1 Соедините лампочку накаливания и светодиод параллельно. Измерьте зависимость суммарной силы тока через лампочку и светодиод от напряжения, приложенного к ним. Постройте график полученной экспериментальной зависимости.

3.2 Используя данные, полученные в частях 1 и 2 рассчитайте зависимость суммарной силы тока через параллельно соединенные лампочку накаливания и светодиод от напряжения на них. Постройте график этой рассчитанной зависимости на том же бланке, что и график экспериментальной зависимости. Сравните полученные результаты.

3.3 Объясните причины возможных расхождений.

Часть 4. Последовательное соединение.

4.1 Соедините лампочку накаливания и светодиод последовательно. Измерьте зависимость силы тока через лампочку и светодиод от суммарного напряжения, приложенного к ним. Постройте график полученной экспериментальной зависимости.

4.2 Используя данные, полученные в частях 1 и 2 рассчитайте зависимость силы тока через последовательно соединенные лампочку накаливания и светодиод от общего напряжения на них. Постройте график этой рассчитанной зависимости на том же бланке, что и график экспериментальной зависимости. Сравните полученные результаты.

Решение

Для проведения измерений удобно использовать следующую схему.

Схема измерений: источник тока подключен к реостату, движок реостата питает последовательно соединенные резисторы R0 и Rx; вольтметр V включен между ними и через переключаемый ключ подключается к одному или другому концу цепи.

При переключении ключа измеряются:

напряжение $U_0$ на резисторе с известным сопротивлением $R_0$ ;
напряжение $U_1$ на исследуемом участке цепи $R_x$ .

По измеренному напряжению $U_0$ и известному сопротивлению $R_0$ рассчитывается сила тока в цепи

I = \frac{U_0}{R_0}.

Часть 1. Электрическая лампочка.

Таблица результатов измерений зависимости силы тока через лампочку от напряжения на ней представлены в таблице 1. График ВАХ лампочки показан на рис. 1.

Таблица 1.

$U$ , мВ	$I$ , мА
18	7
35	13
65	25
104	34
135	40
212	47
343	53
562	62
744	70
934	78
1082	84
1381	93
1608	100
1805	107
1972	111
2210	120

При увеличении силы тока нить накаляется, ее сопротивление возрастает, поэтому сила тока возрастает медленнее, чем по линейному закону.

График зависимости силы тока I (мА, 0–140) от напряжения U (мВ, 0–2500) для лампочки накаливания: крутой рост до примерно 40 мА при 150 мВ, затем более пологий почти линейный рост до 120 мА при 2210 мВ. — Рис. 1 ВАХ лампочки накаливания

Часть 2. Светодиод.

Таблица результатов измерений зависимости силы тока через светодиод от напряжения на ней представлены в таблице 1. График ВАХ светодиода показан на рис. 2.

Таблица 2.

$U$ , мВ	$I$ , мА
0	0
100	0
500	0
1368	6
1502	14
1616	22
1742	31
1832	39
1888	45
1970	53
2070	64
2140	71
2210	80
2300	88
2350	95
2390	101
2530	114
2600	122
2750	138

График зависимости силы тока I (мА, 0–160) от напряжения U (мВ, 0–3000) для светодиода: ток практически равен нулю до 1400 мВ, затем почти линейно растет до 138 мА при 2750 мВ. — Рис. 2 ВАХ светодиода

Часть 3. Параллельное соединение.

При параллельном соединении напряжения на обоих элементах одинаковы, а измеряемая сила тока равна сумме токов через каждый элемент. Поэтому для расчета ВАХ параллельно соединенных элементов необходимо на одном бланке построить ВАХ лампочки (1), ВАХ светодиода (2) и сложить их «вертикально», то есть при одном напряжении просуммировать силы токов

I = I_{\text{л}} + I_{\text{сд}}.

Результат такого построения показан на рисунке (4). На этом же графике представлены результаты измерений (4). Незначительные расхождения вполне объяснимы погрешностями измерений. Возможно также проявление зависимости сопротивления проволочного резистора от силы тока через него (из-за нагрева).

График I (мА, 0–240) от U (мВ, 0–3000): точки ВАХ лампочки (1), ВАХ светодиода (2), рассчитанная суммарная ВАХ (3) и измеренные значения (4); стрелками показано сложение токов Iл и Iсд при одном напряжении, итоговый ток I.

Часть 4. Последовательное соединение.

Аналогичную процедуру можно применить и для расчета ВАХ последовательно соединенных лампочки и светодиода. Только в этом случае из ВАХ следует складывать «горизонтально», то есть при одном и том же значении силы тока складывать напряжения на элементах. Результаты расчетов и проведенных измерений показаны на рис. 4. Все обозначения аналогичны обозначениям на рис. 3.

График I (мА, 0–150) от U (мВ, 0–3000): кривая 1 — ВАХ лампочки, кривая 2 — ВАХ светодиода, кривая 3 — рассчитанная ВАХ последовательного соединения, кривая 4 — измеренные значения (до 63 мА при 2880 мВ).

Оригинал в Архива: 3_etap_2011_experimental_problems.pdf · официални решения: 3_etap_2011_experimental_solutions.pdf