CC BY
18УДК 372.853
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА НА УЧАСТКЕ ЦЕПИ С ПОМОЩЬЮ ДЕМОНСТРАЦИОННОГО НАБОРА СОПРОТИВЛЕНИЙ
С. В. Симукова, К. С. Пилипенко
ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет имени акад. И.Г. Петровского»
В статье рассматривается методика проведения демонстрации по изучению закона Ома на базе разработанной демонстрационной установки.
Ключевые слова: демонстрационная установка, закон Ома, резистивный элемент.
При демонстрации закона Ома для участка цепи в 8 классе обычно используют демонстрационный магазин сопротивлений, который, представляет собой набор из четырех проволок разного сопротивления. Так как сопротивления проволок небольшие (от 1 до 5 Ом), то при проведении эксперимента сказывается влияние подводящих проводов и результаты опыта оказываются не всегда убедительными для учащихся.
Нами разработана установка, которая лишена указанных недостатков и имеет широкую область применения для демонстрации закона Ома и соединений проводников школьном курсе физики.
Описание установки
Установка полностью самодостаточна и содержит все компоненты, необходимые для проведения эксперимента. Основанием служит фанерный лист, который расположен вертикально благодаря фанерным ножкам. Слева расположены специальные клеммы для подключения источника питания, справа — установлены цифровые амперметр и вольтметр. На средней части доски расположены три ряда горизонтальных резисторов большой мощности (мы взяли резисторы по 20 Ом) с убыванием их количества сверху вниз, а также специальный участок с клеммами для подключения произвольного резистора или резистентного материала. Между рядами установлены переключатели, которые служат для замыкания или размыкания участка цепи, всего их 7 штук (рис. 1).
Рис. 1. Внешний вид установки
На задней стороне доски расположены соединительные провода по схеме, изображенной на рисунке 2.
Рис. 2. Схема демонстрационной установки.
В качестве дополнительного оборудования используется провода и любой источник постоянного напряжения, например ВС-24.
Проведение эксперимента
Для доказательства закона Ома необходимо изучить две зависимости: силы тока от напряжения 1(и) и силы тока от сопротивления 1(Я). Для это нужно провести следующие действия:
1) Подключить к двум крайним схемам источник питания в произвольной полярности.
2) Выбрать одно значение сопротивления цепи, например 20 Ом и постепенно с определенным шагом (например, 1 В) повышать напряжение источника. Данные, полученные в ходе эксперимента, занести в таблицу 1.
Таблица 1
и, в
I, шЛ
3) По результатам эксперимента простроить график зависимости силы тока от напряжения. Видим, что зависимость эта прямо пропорциональная.
4) Для проведения второго эксперимента падение напряжения (измеряемое вольтметром) на системе резисторов необходимо поддерживать постоянным, а сопротивление менять с шагом в 20 Ом. Данные силы тока указать в таблице 2.
Таблица 2
I, шЛ
Я, Ом 20 40 60 80 100 120
5) Построить график зависимости силы тока от сопротивления. Экспериментальные точки должны укладываться на график гиперболы.
6) Сделать вывод о характере зависимости силы тока на участке цепи от приложенного напряжения и сопротивления участка.
Рекомендации по проведению эксперимента
Сначала все переключатели размыкают, и ток в цепи не течет. Но если замкнуть все правые переключатели, то ток пойдет по первому ряду ^=60 Ом), направление тока
показано рис. 3. При этом следует помнить, что вольтметр показывает падение напряжения на участке цепи, а не выходное напряжение источника питания, поэтому оно может меняться в ходе проведения эксперимента. _
Рис. 3. Подключение верхнего ряда в цепь.
Теперь подключим два первых ряда последовательно ^ = Rl+R2 = 60 Ом+40 Ом). Для этого замкнем все переключатели слева, кроме верхнего, а справа замкнем только верхний переключатель (рис.4).
Также установка предусматривает подключение резистивных элементов параллельно. Для подключения 2-го и 3-го ряда параллельно необходимо замкнуть верхние два переключателя слева, а справа замкнуть все переключатели, кроме верхнего (рис.5).
При этом получим значение сопротивления
К = = =13,3 Ом.
Рис. 5. Параллельное подключение.
Таким образом, установка имеет множество возможных комбинаций подключения, что позволяет изменять сопротивление цепи в широком диапазоне и с большим шагом. Нижний ряд специально предназначен для подключения произвольного резистивного элемента в цепь. Но следует следить за тем, чтобы ток обязательно протекал по одному из рядов, особенно при высоких напряжениях, т. е. не допускать одновременного включения всех левых переключателей, иначе может возникнуть короткое замыкание и выход аппаратуры из строя.
В заключение хочется отметить, что поставленная задача была успешно выполнена, а установка отвечает всем предъявленным требованиям, а именно:
• Широкий диапазон используемого напряжения.
• Линейная вольтамперная характеристика.
• Большие значения сопротивления резисторов дают возможность пренебречь сопротивлениями подводящих проводов и ограничивают токи в цепи.
• Использование заводских резисторов большой мощности, эффективно рассеивающих тепло, практически исключает возможность их перегорания.
• При использовании цифровых измерительных приборов не надо учитывать полярность подключения источника питания.
• Универсальность прибора - он позволяет проводить демонстрации на несколько
тем.
• Система переключателей позволяет задействовать все сразу или каждый в отдельности из имеющихся пассивных элементов.
• Крупный диаметр установки позволяет обеспечить хорошую видимость. Данная установка была представлена на Всероссийской студенческой олимпиаде по
методике обучения физике им. А.В. Усовой в городе Челябинске в апреле 2017 года. В номинации «Самодельные приборы» она заняла первое место.
Список литературы
1. Дубровский В.В., Иванов Д.М., Пратусевич Н.Я. и др. Резисторы: Справочник. -М.: Радио и связь, 1991. - 528 с.
2. Хорошавина С.Г. Справочник по физике. Серия «Учебники, учебные пособия». -Ростов на Дону: «Феникс», 2002. - 384 с.
3. Шилов В.Ф. Электродинамика: лабораторные работы в школе и дома. -М.: Просвещение, 2006. - 336 с.
Сведения об авторах
Симукова Светлана Васильевна - кандидат педагогических наук, доцент кафедры экспериментальной и теоретической физики, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет им. академика И.Г. Петровского», e-mail: simukova-svetlana@yandex.ru.
Пилипенко Кирилл Сергеевич - магистрант кафедры экспериментальной и теоретической физики, ФГБОУ ВО «Брянский государственный университет им. академика И.Г. Петровского», e-mail: kirill.pilipenko@yandex.ru.
THE STUDY OF OHM'S LAW ON THE CIRCUIT SECTION BY A DEMONSTRATION PLANT OF RESISTANCES
S. V. Simukova, K. S. Pilipenko
The article discusses the methodology for conducting laboratory work on the study of Ohm's law on the basis of a demonstration unit.
Keywords: demonstration installation, Ohm's law, resistive element.
References
1. Dubrovskii V.V., Ivanov D.M., Pratusevich N.Ya. i dr. Rezistory: Spravochnik. - M.: Radio i svyaz', 1991. - 528 s.
2. Khoroshavina S.G. Spravochnik po fizike. Seriya «Uchebniki, uchebnye posobiya». -Rostov na Donu: «Feniks», 2002. - 384 s.
3. Shilov V.F. Elektrodinamika: laboratornye raboty v shkole i doma. - M.: Prosveshchenie, 2006. - 336 s.
About authors
Simukova S.V. - PhD in Pedagogical Science, Associate Professor of Department of Experimental and Theoretical Physics, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: simukova-svetlana@yandex.ru.
Pilipenko K.S. - graduate student, Department of Experimental and Theoretical Physics, Bryansk State University named after Academician I.G. Petrovsky, e-mail: kirill.pilipenko@yandex.ru.
