"Физика", Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е.
При параллельном соединении проводники подключают к одним и тем же двум точкам цепи, поэтому напряжение на них одинаково, а ток разделяется между ветвями. В лабораторной работе измеряют напряжение и силу тока на отдельных участках и во всей цепи, затем по закону Ома находят сопротивления. Опыт помогает проверить, что общий ток равен сумме токов ветвей, а общее сопротивление меньше сопротивления каждой ветви.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Параллельное соединение проводников — такое соединение, при котором начала ветвей подключены к одной точке цепи, а концы — к другой. У каждого проводника есть собственный путь для тока, в отличие от последовательного соединения, где все элементы расположены один за другим в единственной цепи. Это различие помогает понять, почему при параллельном соединении ток делится, а напряжение на ветвях остаётся одинаковым.
Узел электрической цепи — точка, в которой соединяются несколько проводников или происходит разветвление цепи. В параллельной схеме обычно есть два общих узла: ток разделяется в одном, а в другом ветви снова соединяются. Понимание расположения узлов помогает правильно определить границы ветвей и места подключения измерительных приборов.
Общее сопротивление — сопротивление всей цепи или выбранного участка, заменяющее действие всех параллельно соединённых проводников. Его обозначают Rобщ и находят, учитывая сопротивления отдельных ветвей. Оно показывает, насколько цепь в целом препятствует току, поэтому нужно для расчёта силы тока по закону Ома.
Цель лабораторной работы — исследовать, как распределяются сила тока и напряжение при параллельном соединении, и определить общее сопротивление. Для этого измеряют характеристики всей цепи и каждой ветви, а результаты сравнивают с расчётными соотношениями. Такой опыт позволяет проверить правила не только на словах, но и по показаниям приборов.
Соберите цепь из источника тока, ключа и двух резисторов, соединённых параллельно. Амперметр для измерения общего тока включите последовательно в неразветвлённую часть, а для тока ветви перенесите его последовательно в эту ветвь. Вольтметр подключайте параллельно тому участку, напряжение на котором нужно измерить; перед сборкой проверьте полярность приборов и не замыкайте источник напрямую.
Напряжение на каждом параллельном проводнике одинаково, потому что оба его конца соединены с теми же двумя узлами, что и концы остальных ветвей. Между одной и той же парой точек цепи не может одновременно быть несколько разных напряжений. Поэтому при измерениях должно получаться U = U₁ = U₂, хотя сопротивления проводников могут различаться.
В неразветвлённой части цепи сила тока равна сумме токов ветвей: I = I₁ + I₂. За одинаковое время к узлу приходит определённый заряд, он распределяется между путями, а после соединения ветвей эти потоки снова объединяются. Заряд не исчезает и не накапливается в месте соединения, поэтому общий ток складывается из токов отдельных ветвей.
Измерив напряжение и силу тока, найдите сопротивление всей цепи и каждой ветви по закону Ома: R = U/I. Для двух параллельных ветвей проверьте формулу 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂, подставив найденные значения. Из-за погрешности приборов результаты могут немного различаться, но должны быть близки; общее сопротивление при этом меньше сопротивления каждой ветви.
| Величина | Вся цепь | Первая ветвь | Вторая ветвь |
|---|---|---|---|
| Напряжение U | U | U₁ = U | U₂ = U |
| Сила тока I | I = I₁ + I₂ | I₁ | I₂ |
| Сопротивление R | Rобщ | R₁ | R₂ |
| Связь величин между участками | 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂ | R₁ = U₁/I₁ | R₂ = U₂/I₂ |
В таблицу заносят показания приборов для цепи и каждой ветви, а сопротивления рассчитывают по закону Ома. Затем сравнивают напряжения и проверяют, складываются ли токи ветвей в общий ток. Последняя строка помогает проверить формулу общего сопротивления.
Задача 1. К двум параллельно соединённым резисторам приложено напряжение 6 В. Какое напряжение покажет вольтметр, подключённый к каждому резистору? Здесь важно определить, между какими точками включён каждый прибор: концы обоих резисторов соединены с одной и той же парой узлов. Значит, напряжение на каждом резисторе равно напряжению источника.
Ответ: каждый вольтметр покажет 6 В. Прибор подключают к концам своего резистора, то есть параллельно ему.
Задача 2. В первой ветви сила тока равна 0,3 А, во второй — 0,5 А. Найдите силу тока в неразветвлённой части цепи. До решения проверьте, что речь идёт именно о токе до разветвления или после соединения ветвей: в обоих местах течёт общий ток. Он складывается из токов двух путей.
Ответ: сила тока в неразветвлённой части равна 0,8 А. Проверка проста: общий ток должен быть больше тока каждой отдельной ветви.
Задача 3. Два резистора сопротивлениями 6 Ом и 3 Ом соединены параллельно. Найдите общее сопротивление и силу тока в цепи при напряжении 6 В. Сначала нужно найти сопротивление всей параллельной части, а не складывать сопротивления напрямую. Затем общий ток вычисляется по закону Ома для всей цепи.
Ответ: общее сопротивление равно 2 Ом, сила тока в цепи — 3 А. Значение 2 Ом меньше сопротивления обеих ветвей, как и должно быть при параллельном соединении.
Ошибка: складывать напряжения параллельных ветвей. Так поступают, перенося правило для последовательного соединения на другую схему. В параллельной цепи ветви подключены к одной паре узлов, поэтому U = U₁ = U₂. Проверьте себя: если вольтметр подключён к каждой ветви, он измеряет напряжение между теми же двумя точками.
Ошибка: считать силу тока одинаковой во всех ветвях. Такое бывает, если перепутать параллельную схему с последовательной: в параллельной цепи ток распределяется, причём его доли зависят от сопротивлений ветвей. Складывать нужно токи ветвей, чтобы получить общий ток. Проверка: сравните показание амперметра в неразветвлённом участке с суммой показаний в ветвях.
Ошибка: подключать амперметр параллельно или вольтметр последовательно. Причина обычно в путанице между тем, что именно измеряют приборы. Амперметр включают последовательно, чтобы через него проходил измеряемый ток, а вольтметр — параллельно концам участка. Перед включением ключа проследите путь тока и проверьте, что приборы стоят в нужных местах.
Ошибка: напрямую складывать сопротивления параллельных резисторов. Это правило относится к последовательному соединению, а для параллельного суммируют обратные сопротивления: 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂. Такая ошибка часто возникает из-за сходства формул и привычки считать общее сопротивление обычной суммой. Проверьте ответ: Rобщ должно быть меньше наименьшего сопротивления ветви.
Для выполнения работы нужно знать закон Ома для участка цепи: он связывает напряжение, силу тока и сопротивление. Также пригодятся правила включения амперметра и вольтметра и умение собирать электрическую цепь из источника, ключа и проводников. Эти знания позволяют провести измерения безопасно и верно истолковать показания.
Параллельное соединение понадобится при изучении смешанных цепей, где отдельные элементы соединены и последовательно, и параллельно. Те же закономерности помогают разбирать разветвлённые цепи и понимать устройство бытовых электросетей: приборы в доме подключены так, чтобы могли работать независимо друг от друга. Поэтому лабораторная работа связывает школьные формулы с практическими электрическими схемами.
Почему напряжение на параллельно соединённых проводниках одинаково?
Оба конца каждого проводника подключены к одной и той же паре узлов. Поэтому разность электрических потенциалов между концами каждой ветви одинакова — это и есть одинаковое напряжение.
Как определить силу тока в неразветвлённой части цепи?
Нужно сложить силы токов во всех ветвях: I = I₁ + I₂ + … . Заряд, пришедший к месту разветвления за секунду, распределяется по ветвям, а после их соединения потоки складываются.
Как правильно подключить амперметр и вольтметр в этой работе?
Амперметр включают последовательно с тем участком, где измеряют ток, чтобы через прибор проходил этот ток. Вольтметр подключают параллельно участку, между концами которого измеряют напряжение.
Почему общее сопротивление меньше сопротивления каждой ветви?
При добавлении параллельной ветви у тока появляется дополнительный путь, поэтому цепь в целом проводит ток лучше. Согласно формуле 1/Rобщ = 1/R₁ + 1/R₂, обратное общее сопротивление больше обратного сопротивления любой отдельной ветви, а само Rобщ меньше каждого из них.
Как по результатам измерений найти общее сопротивление цепи?
Измерьте напряжение на всей параллельной части и силу тока в неразветвлённом участке цепи. Затем примените закон Ома: Rобщ = U/I. Полученное значение можно сравнить с расчётом по сопротивлениям ветвей.
Лабораторная работа №° 11 Изучение параллельного соединения проводников
