Измерение напряжения на участках электрической цепи: схема и таблица наблюдений

Измерение напряжения отличается от измерения силы тока. Вольтметр сравнивает электрические потенциалы двух точек и включается поперёк выбранного элемента. Амперметр, напротив, ставят последовательно в ветвь. Если подключить амперметр вместо вольтметра непосредственно к клеммам источника, можно создать опасный для прибора и источника ток. Поэтому перед замыканием учебной цепи покажите схему учителю и работайте только с разрешённым низковольтным источником.

Что означает запись UAB

Обозначим концы участка буквами A и B. Напряжение UAB связано с разностью потенциалов этих точек. В школьном отчёте можно писать U₁ на первом резисторе и U₂ на втором, если на схеме однозначно видно, какие точки входят в каждый участок. Без схемы подписи «напряжение 1» и «напряжение 2» ничего не объясняют. Напряжение измеряют в вольтах, В; для небольших значений иногда используют милливольты, но в одной таблице лучше привести значения к одной единице.

Вольтметр подключают параллельно участку, потому что оба его вывода должны оказаться в тех же двух узлах, между которыми нужно узнать разность потенциалов. У реального прибора есть собственное сопротивление, поэтому его подключение может немного менять цепь. В школьном опыте обычно предполагают, что это влияние невелико; если показания странные, проверьте диапазон и схему, а не объявляйте закон неверным.

Полярность важна для прибора постоянного тока. Плюсовой вывод обычно подключают к точке с более высоким потенциалом относительно минусового. Цифровой вольтметр при обратном подключении часто показывает знак минус, а стрелочный может отклониться в недопустимую сторону. Следуйте маркировке и указанию учителя. Отрицательное значение не значит, что «напряжения нет»: оно сообщает о выбранном порядке выводов прибора.

Цель, оборудование и безопасная сборка

Цель работы — измерить напряжения на разных участках и проверить, как они связаны при выбранной схеме соединения. Обычно используют батарейный блок или лабораторный низковольтный источник, два резистора или лампы, выключатель, соединительные провода и вольтметр. Номиналы и пределы прибора задаёт учитель. Бытовую розетку, повреждённые провода и неизвестные блоки питания в такой работе не применяют.

До сборки нарисуйте источник, выключатель и элементы. Пометьте узлы A, B, C. Для последовательного соединения можно считать, что первый элемент находится между A и B, второй — между B и C. Тогда прибор поочерёдно измеряет UAB, UBC и UAC на всей внешней цепи. При перестановке щупов размыкайте цепь, если так велит учитель, и не касайтесь оголённых контактов. Запишите диапазон вольтметра и цену деления его шкалы либо шаг цифрового дисплея.

Если лампы нагреваются, не держите цепь включённой дольше необходимого. Не заменяйте резистор проволокой с почти нулевым сопротивлением ради более «ясной» картинки: это может перегрузить источник. Если лампа не светится или прибор показывает ноль, сначала проверьте контакты, исправность элемента и выбранные точки измерения. Отсутствие света не всегда означает отсутствие напряжения на лампе.

Таблица для последовательной цепи

Измерьте напряжение на первом элементе, на втором и между концами обоих элементов. Сохраняйте одинаковое состояние источника и контактов во время серии. Для проверки суммы важно, чтобы прибор измерял именно внешние участки между одними и теми же крайними узлами, а не клеммное напряжение источника в другом состоянии нагрузки.

Сравните Uобщ с U₁ + U₂. Например, в условном опыте получено 0,62 В и 0,87 В, а на обоих элементах 1,50 В. Сумма отдельных показаний 1,49 В близка к общему значению; разница 0,01 В может быть сравнима с точностью прибора или изменением условий между измерениями. Не переписывайте условные цифры в свой отчёт: у вашей цепи источники, элементы и контакты другие.

Если сумма заметно не совпадает, проверьте, не изменились ли точки подключения, не было ли одного измерения при разомкнутом выключателе и не переставили ли резисторы. Проверьте также единицы: 600 мВ = 0,600 В. Нельзя складывать 600 и 0,9 как числа одной единицы. В цепи с батареей её клеммное напряжение под нагрузкой может отличаться от показания без нагрузки; для сравнения берите измерения при одном состоянии цепи.

Что проверять в параллельной схеме

У параллельных ветвей их начала соединены с одним узлом, а концы — с другим. Поэтому в простой модели напряжения между этими узлами одинаковы: U₁ ≈ U₂ ≈ Uобщ. Чтобы проверить это, поставьте вольтметр на первую ветвь, затем на вторую и на общие узлы. Не надо складывать напряжения ветвей: правило суммы относится к последовательным участкам, а не к соседним параллельным путям.

Если на двух параллельных лампах в учебной цепи получено 1,48 В и 1,49 В, это согласуется с равенством напряжений в пределах точности. Если вторая ветвь показывает почти ноль, возможно, щупы поставлены не на её начало и конец или контакт нарушен. Нарисуйте реальные соединения. На рисунке две линии могут выглядеть параллельными, но электрически это решает наличие общих узлов, а не геометрия на листе.

В некоторых заданиях смешаны последовательные и параллельные соединения. Тогда сначала выделите узлы и ветви, а после применяйте правило к каждому простому фрагменту. Например, два параллельных элемента могут вместе стоять последовательно с третьим. Напряжения на двух параллельных элементах равны между собой, а сумма напряжения на параллельном блоке и третьем элементе равна напряжению на всей внешней цепи. Без разделения схемы легко ошибочно сложить все три показания.

Как читать показания прибора

У стрелочного вольтметра сначала определите цену деления по двум подписанным отметкам. Если на панели несколько шкал, выберите ту, что соответствует установленному пределу измерения. Смотрите на стрелку прямо, без параллакса. У цифрового прибора проверьте положение переключателя и единицу на дисплее: mV и V различаются в тысячу раз. Количество цифр на экране не равно гарантированной точности; паспортная погрешность может быть больше шага отображения.

Записывайте нулевое показание как результат наблюдения только после проверки соединения. Ноль на разомкнутом участке, на проводнике между почти одинаковыми потенциалами и при неисправном контакте имеет разные причины. Если прибор вышел за предел или показывает нестабильно, остановите опыт и попросите учителя проверить схему. Придумывать «вероятное» значение по номиналу батарейки не нужно.

Если школьная работа дана по готовой схеме и таблице, не пишите «я измерил», когда прибор не использовали. Верно: «по данным таблицы напряжение между A и C составляет…» Затем покажите арифметику и объясните соответствие схеме. Такой ответ проверяет то же физическое понимание, но не приписывает ученику несуществующий опыт.

Вывод по результатам и проверка отчёта

Вывод для последовательной схемы может быть таким: «Напряжение между крайними точками двух элементов приблизительно равно сумме напряжений на каждом из них. В наших измерениях U₁ + U₂ отличается от Uобщ на величину, сопоставимую с точностью отсчёта». Для параллельной схемы итог другой: «Напряжения между общими узлами ветвей приблизительно равны». Вставьте свои числа и назовите конкретные точки; готовая фраза без таблицы не подтверждает работу.

Перед сдачей проверьте, что вольтметр показан параллельно нужному элементу, диапазон прибора указан, все измерения имеют единицу и таблица соотносится с буквами на схеме. Если обнаружилось расхождение, объясните, какие соединения и показания перепроверили. Другие опыты по электричеству собраны в навигаторе физики 8 класса. Схемы подключения приборов и смысл измерения между двумя точками описаны в учебнике OpenStax.