Лабораторная работа № 7 Измерение напряжения на различных участках электрической цепи

Определения и обозначения

Напряжение — физическая величина, равная отношению работы электрического поля по перемещению заряда к величине этого заряда; его обозначают буквой U и измеряют в вольтах (В). Проще говоря, напряжение показывает, сколько работы приходится на каждый кулон заряда при его перемещении. Это понятие нужно, чтобы описывать и сравнивать электрические условия на разных участках цепи.

Вольтметр — прибор для измерения напряжения. Перед измерением выбирают предел, то есть наибольшее значение, которое прибор способен показать в выбранном режиме, и проверяют полярность его клемм. Это помогает получить подходящее показание и не перегрузить прибор.

Участок электрической цепи — часть цепи между двумя выбранными точками, напряжение на которой нужно измерить. Например, концами участка могут быть выводы одной лампы или крайние точки нескольких соединённых элементов. Понятие участка помогает определить, куда именно присоединить измерительный прибор.

Параллельное подключение вольтметра — соединение его клемм с концами выбранного участка цепи. Иными словами, прибор образует отдельную ветвь между теми же двумя точками, что и измеряемый участок. Такой способ позволяет сравнить потенциалы концов участка и найти напряжение между ними.

Как это устроено

Перед сборкой цепи определи две точки, между которыми требуется измерить напряжение. Это важно, потому что прибор должен показать разность потенциалов именно между выбранными концами, а не на случайной части схемы. Затем выбери подходящий предел: если точное значение неизвестно, безопаснее сначала установить наибольший, а потом перейти к меньшему для более удобного отсчёта.

Вольтметр подключают параллельно выбранному участку: одну клемму присоединяют к одному концу, другую — к другому. Так прибор сравнивает потенциалы именно этих точек. При последовательном включении ток проходит через вольтметр как через элемент цепи, поэтому он изменяет её работу и не измеряет напряжение на участке требуемым способом.

Для постоянного напряжения нужно соблюдать полярность. Клемму «+» соединяют с точкой более высокого потенциала, а клемму «−» — с другой точкой. Если провода перепутаны, прибор может показать отрицательное значение; это знак того, что направление подключения не совпало с выбранным направлением измерения, а не обязательно признак неисправности цепи.

Сначала измерь напряжение на отдельных элементах или участках, а затем — на участке, содержащем их вместе. При переключении вольтметра следи, чтобы его клеммы каждый раз оставались соединены с нужными точками; саму схему без необходимости менять не следует. Запиши каждое показание вместе с единицей измерения, например 3,2 В, чтобы результаты можно было сравнить.

Сравнение показаний позволяет проверить правила соединения. В последовательной цепи напряжение на целом участке равно сумме напряжений на его частях: U = U₁ + U₂. На параллельных ветвях напряжения одинаковы, потому что начала ветвей соединены с одной точкой, а концы — с другой; небольшие расхождения измерений возможны из-за погрешности прибора.

Измерение напряжения на участках электрической цепи

Заполняй таблицу по ходу измерений: в графе о точках подключения укажи концы участка, к которым присоединены клеммы вольтметра, а в графе показаний запиши значение в вольтах. Затем сравни напряжение на частях последовательной цепи с напряжением на участке целиком. Если в схеме есть параллельные ветви, сопоставь их показания и учитывай погрешность прибора.

Разбор задач

Задача 1. Укажите, как подключить вольтметр, чтобы измерить напряжение на лампе в собранной цепи. Нужно определить, какое напряжение нас интересует: разность потенциалов между двумя выводами лампы. Поэтому клеммы прибора должны оказаться соединёнными с этими выводами, а не включёнными в разрыв цепи.

1. Найди оба конца лампы в схеме или в собранной цепи.
2. Соедини одну клемму вольтметра с одним выводом лампы, а вторую — с другим. Так прибор будет подключён параллельно лампе.
3. Если измеряется постоянное напряжение, подключи «+» к точке более высокого потенциала; при неизвестном значении заранее выбери подходящий, не слишком малый предел.

Ответ: подключить клеммы вольтметра к двум выводам лампы параллельно ей, соблюдая полярность при измерении постоянного напряжения.

Задача 2. Вольтметр показал 2,4 В на одном последовательно соединённом элементе и 3,1 В на другом. Найди ожидаемое напряжение на участке с обоими элементами. Здесь нужно использовать правило для последовательных частей: напряжение на целом участке складывается из напряжений на его элементах.

1. Запиши известные значения: U₁ = 2,4 В и U₂ = 3,1 В.
2. Сложи напряжения, потому что элементы соединены последовательно: U = U₁ + U₂.
3. Выполни вычисление: U = 2,4 В + 3,1 В = 5,5 В.

Ответ: ожидаемое напряжение на участке с обоими элементами равно 5,5 В. Реальное измеренное значение может немного отличаться из-за погрешности.

Задача 3. На параллельно соединённых ветвях получены показания 4,8 В и 5,0 В. Нужно оценить, согласуются ли результаты с правилом для параллельного соединения, и решить, что проверить. Ветви соединены между одними и теми же точками, поэтому ожидаются одинаковые напряжения.

1. Сравни показания: разность составляет 5,0 В − 4,8 В = 0,2 В.
2. Учти правило: напряжения на параллельных ветвях должны быть равны. Небольшое различие может укладываться в погрешность измерений.
3. Проверь, подключался ли вольтметр к концам каждой ветви, надёжны ли контакты и выбран ли подходящий предел. Если прибор и соединения исправны, повтори измерения.

Ответ: показания близки, но не совпадают; причиной может быть погрешность или ошибка подключения. Следует проверить контакты и точки подключения прибора, затем измерить снова.

Типичные ошибки

Включать вольтметр последовательно. Так иногда поступают, путая его с прибором для измерения силы тока. Последовательное включение изменяет режим цепи, тогда как для измерения напряжения клеммы должны находиться у двух концов участка. Проверь себя: если прибор стоит в разрыве цепи, подключение неверное.

Перепутать клеммы при измерении постоянного напряжения. Это случается, когда полярность точек заранее не проверили; показание может появиться со знаком «минус». Сравни, к какой точке присоединён каждый провод, и при необходимости поменяй их местами. Отрицательное значение указывает на обратное направление подключения.

Выбрать слишком малый предел измерения. Так можно решить, что для точного результата всегда нужен самый низкий предел, но измеряемое значение может выйти за шкалу и повредить прибор. Начинай с большего предела, если напряжение неизвестно, и уменьшай его только после проверки. Убедись, что ожидаемое напряжение не превышает выбранное значение.

Считать небольшое различие показаний доказательством нарушения правила. Причина такой ошибки — ожидание абсолютно точных измерений, хотя прибор и контакты имеют погрешности. Сначала сравни величину расхождения с точностью прибора, проверь надёжность соединений и повтори измерение. Не делай вывод по разнице, сопоставимой с погрешностью.

Связь с другими темами

Для лабораторной работы нужно знать, из каких элементов состоит электрическая цепь, что такое сила тока и напряжение, а также уметь читать простые схемы. Эти знания помогают определить нужный участок и правильно поставить прибор. Умение измерять напряжение пригодится при изучении закона Ома и соединений проводников: оно позволяет сравнивать напряжение на отдельных элементах и всей цепи.

Что запомнить

• Напряжение измеряют в вольтах.
• Напряжение измеряют вольтметром.
• Вольтметр подключают параллельно участку цепи.
• При измерении постоянного напряжения соблюдают полярность.
• На последовательных участках напряжения складываются.
• На параллельных ветвях напряжения одинаковы.
• Результат записывают с единицей измерения и учитывают погрешность.