Краткое содержание & опорный конспект • ФГОС

§ 42. Примеры на расчёт сопротивления проводника, силы тока и напряжения

Учебник: Физика. 8 класс
Авторы: И. М. Перышкин, А. И. Иванов
Иллюстрация к § 42. Примеры на расчёт сопротивления проводника, силы тока и напряжения 🔍 Нажмите для зума

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ АНАЛОГИЯ ГЕОРГА ОМА

Когда Георг Ом в 1820-х годах проводил свои первые опыты, природу электричества ещё не связывали с электронами. Чтобы понять и наглядно описать физические закономерности, Ом построил изящную гидродинамическую аналогию, уподобив электрический ток течению воды по трубе (рис. 103):


АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ КОМБИНИРОВАННЫХ ЗАДАЧ

В реальных электротехнических расчётах закон Ома и геометрическая формула сопротивления всегда работают в неразрывной связке:

$$\text{Закон Ома:} \quad I = \frac{U}{R} \qquad \longleftrightarrow \qquad \text{Параметры проводника:} \quad R = \frac{\rho \cdot l}{S}$$

Стандартный алгоритм решения:

  1. Запись «Дано» и согласование единиц: аккуратно перевести значения в основные единицы (например, миллиамперы в амперы: $1 \text{ мА} = 10^{-3} \text{ А}$).
  2. Внимание к единицам площади ($S$) и удельного сопротивления ($\rho$): если значение $\rho$ берётся из справочной таблицы в практических единицах $\frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$, площадь сечения $S$ подставляется строго в квадратных миллиметрах ($мм^2$), а длина $l$ — в метрах (м). Переводить площадь в квадратные метры не требуется!
  3. Получение рабочей формулы в общем виде: связать формулу Ома и формулу сопротивления аналитически, выразив искомую величину единым алгебраическим выражением до подстановки чисел.
  4. Проверка размерности: подставить в рабочую формулу наименования единиц физических величин, выполнить математические сокращения и убедиться, что получена требуемая единица (А, В или Ом).
  5. Арифметический расчёт и запись ответа.

РАЗБОР ТРЁХ БАЗОВЫХ ТИПОВ ЗАДАЧ

#### Тип 1. Прямой расчёт сопротивления линии электропередачи

Из таблицы удельных сопротивлений выписываем для алюминия: $\rho = 0{,}028 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$.

Используем формулу сопротивления:

$$R = \frac{\rho \cdot l}{S} = 0{,}028 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}} \cdot \frac{400 \text{ м}}{4 \text{ мм}^2} = 2{,}8 \text{ Ом}$$

#### Тип 2. Расчёт силы тока в проводнике при известном напряжении

Удельное сопротивление константана: $\rho = 0{,}5 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$.

Подставим формулу сопротивления проводника в закон Ома:

$$I = \frac{U}{R} = \frac{U}{\frac{\rho \cdot l}{S}} = \frac{U \cdot S}{\rho \cdot l}$$
$$[I] = \frac{\text{В} \cdot \text{мм}^2}{\frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}} \cdot \text{м}} = \frac{\text{В}}{\text{Ом}} = \text{А}$$
$$I = \frac{40 \cdot 1{,}25}{0{,}5 \cdot 20} = \frac{50}{10} = 5 \text{ А}$$

(Поэтапный путь даёт идентичный результат: $R = 0{,}5 \cdot 20 / 1{,}25 = 8$ Ом; затем $I = 40 \text{ В} / 8 \text{ Ом} = 5$ А).


#### Тип 3. Расчёт падения напряжения на катушке с переводом единиц

  1. Перевод в СИ: $I = 40 \text{ мА} = 40 \cdot 10^{-3} \text{ А} = 0{,}04 \text{ А}$.
  2. Удельное сопротивление нихрома по таблице: $\rho = 1{,}1 \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$.
  3. Вывод рабочей формулы:
$$U = I \cdot R = I \cdot \frac{\rho \cdot l}{S} = \frac{I \cdot \rho \cdot l}{S}$$
  1. Проверка единиц величин:
$$[U] = \frac{\text{А} \cdot \frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}} \cdot \text{м}}{\text{мм}^2} = \text{А} \cdot \text{Ом} = \text{В}$$
  1. Подстановка чисел:
$$U = \frac{0{,}04 \cdot 1{,}1 \cdot 150}{0{,}75} = 0{,}04 \cdot 1{,}1 \cdot 200 = 8{,}8 \text{ В}$$

ТИПИЧНЫЕ ИНЖЕНЕРНЫЕ СИТУАЦИИ И ХИТРОСТИ

В олимпиадных и практических задачах часто встречаются геометрические трансформации проводников:

Если однородную проволоку разрезать ровно пополам и полученные половинки плотно скрутить вместе:

$$R' = \frac{\rho \cdot (l / 2)}{2S} = \frac{1}{4} \frac{\rho \cdot l}{S} = \frac{R}{4}$$

Если провод состоит из $n$ одинаковых тонких проволочек сечением $S_1$ каждая, то общее сечение кабеля равно $S_{\text{общ}} = n \cdot S_1$. Сопротивление такого жгута оказывается в $n$ раз меньше, чем у одиночной тонкой жилы, при сохранении высокой гибкости провода.


⭐ Шпаргалка к ответу у доски

📌 ШПАРГАЛКА К УСТНОМУ ОТВЕТУ У ДОСКИ

  • Базовые законы в паре:
$$I = \frac{U}{R} \qquad R = \frac{\rho \cdot l}{S}$$
  • Общие формулы для комбинированных задач:
$$I = \frac{U \cdot S}{\rho \cdot l} \qquad U = \frac{I \cdot \rho \cdot l}{S}$$
  • Формула длины проводника:
$$l = \frac{U \cdot S}{I \cdot \rho} = \frac{R \cdot S}{\rho}$$
  • Формула сечения проводника:
$$S = \frac{I \cdot \rho \cdot l}{U} = \frac{\rho \cdot l}{R}$$
  • Главное правило размерностей: При $\rho$ в $\frac{\text{Ом} \cdot \text{мм}^2}{\text{м}}$ площадь $S$ берётся строго в $мм^2$, длина $l$ — строго в метрах.
  • Гидродинамическая модель Ома: Напряжение $\leftrightarrow$ разность уровней воды (напор), сила тока $\leftrightarrow$ расход воды, сопротивление $\leftrightarrow$ трение воды о стенки узкой и длинной трубы.
  • Эффект скручивания пополам: При складывании проводника вдвое его сопротивление падает в 4 раза.
🎬 Интерактивное обучение

Посмотрите видеоурок к параграфу § 42

Полноразмерное видео, кликабельные таймкоды к ключевым моментам урока и проверочный экспресс-тест на усвоение знаний.

Открыть видеоурок →