Практикум по физике (стр. 5 )

Запишем результаты. Сравним время зарядки и разрядки. Подберём хороший масштаб, подпишем график. Распечатаем график U(t).

5. Увеличим вдвое ёмкость, соединив два конденсатора параллельно. Запишем время зарядки и разрядки. (По теории должно быть t2 = t1C2/ C1 )

Теория: Пусть конденсатор ёмкостью С1 разрядился от напряжения U0 до U, при этом прошло время t1. Тогда U=U0e-t1/(RC) Вывод этой формулы есть в книгах или у учителя на отдельном листе. (Понимание этого вывода требует хотя бы начального знания интегралов).

Аналогично для конденсатора С2, разряжающегося через то же самое сопротивление R, до того же напряжения U, получим U= U0e-t2/(RC2).

U0e-t1/(RC1) =U0e-t2/(RC2) или t1/C1 =t2/C2, или t2 = t1C2/ C1

Проверим, так ли это, запишем вывод.

6. За время 1/RC напряжение на конденсаторе должно падать в e раз (это легко видно из формулы) Посмотрите по графику, за какое время напряжение падает в

e = 2,757 :) раза, запишите результат.

Рассчитайте 1/RC, сравните с экспериментальными данными.

7. ДЛЯ ТЕХ, КОМУ ИНТЕРЕСНО, и кто не боится возможных "глюков" программы Multilab:

Возьмём данные для одного конденсатора и проверим, является ли зависимость U(t) экспонентой U=U0e-t/(RC)

Теория: Если прологарифмировать зависимость, получится: ln (U0e-t/(RC)) = lnU0 - t/(RC)

График получившейся функции- прямая с наклоном -1/RC. Проверим, так ли это.

- Для этого вызовем два курсора, вырежем участок графика U(t), соответствующий процессу разрядки.

- Позаботимся, чтобы напряжение ни в одной точке графика не принимало отрицательных значений, иначе будут проблемы с логарифмированием. Если отрицательные напряжения есть (проверьте это курсором) - прибавим к исследуемой функции очень малую величину.

(Инструменты - Операция - Линейная, в поле В поставим нужную величину.)

- Прологарифмируем зависимость. (Инструменты - Анализ - Мастер анализа - Логарифм)

- Аппроксимируем её прямой. (Инструменты - Анализ - Мастер анализа - Линейное приближение)

Сравним полученную зависимость с прямой линией. Сделаем вывод. Распечатаем графики.

Увидим на экране уравнение этой прямой. (х - это t) (Если уравнения под графиком нет, поставьте курсор на эту прямую.) Запишем его.

- Сравним коэффициент при переменной t и расчётное значение -1/RC

Сделаем вывод.

ВНИМАНИЕ: В Multilab при логарифмировании или аппроксимации полученной зависимости экспонентой часто возникают проблемы (как на NOVA-5000, так и на компьютере), устранить их не удаётся. При этом получившиеся зависимости - действительно экспоненты (проверяли). Один из возможных путей - экспорт таблицы из Multilab в Excel и дальнейшая обработка данных в Excel.

8. Теория:

Интеграл тока должен быть равен заряду, накопившемуся в конденсаторе.

Сравним график ∫idt и график заряда, накопленного конденсатором q = U/C.

Распечатаем соответствующие графики. Раскрасим их разным цветом. Сделаем выводы.

(Замечание. Датчик тока рассчитан на 250 мА. Если ток зарядки был менее 1-3 мА (а это примерно так в опыте с R=1,5 кОм и С = 500 мкФ, конечно, измерения совсем неточны.

Поэтому для этого опыта рекомендуется взять сопротивление около 100 Ом (тогда ток зарядки может быть измерен более точно). Но и в таком случае на NOVA-5000 мастер анализа может неверно выполнить интегрирование - не пугайтесь!)

9. Оформим работу, запишем выводы, обсудим результаты с учителем, уберем оборудование.

, шк. 179 МИОО, март 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 13

ИЗМЕРЕНИЕ ЁМКОСТИ ГАЛЬВАНИЧЕСКОГО ЭЛЕМЕНТА (ИЛИ АККУМУЛЯТОРА)

ОБОРУДОВАНИЕ: NOVA, исследуемая батарейка, датчик тока 2,5А, реостат 6 Ом, мультиметр или вольтметр на 1,5 В.

Можно вторым комплектом оборудования одновременно исследовать второй источник тока.

Как известно, источник тока характеризуется не "зайцами, которые работают в 10 раз дольше обычных", а емкостью, измеряемой в ампер-часах. (Это время (в часах), в течение которого источник может давать ток 1Ампер. Фактически это заряд, который может "перекачать" источник тока.)

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

Изучить, как источник тока отдаёт энергию цепи, измерить ёмкость батареи [А*ч].

Измерить емкость источника тока.

Узнать, изменилась ли ЭДС источника тока после его разрядки.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ:

Тема "Закон Ома для цепи, содержащей ЭДС".

ХОД РАБОТЫ:

Внимание!

Типичная ошибка – нечаянно замкнули источник тока (подключили источник "крокодилами", а они замкнулись), а если вынимали элементы из "квадратной" батареи - замкнули их корпусами (Нельзя!!!)

Типичная ошибка – плохие контакты или неисправный реостат приведут к скачкам тока во время опыта.

Помните, что батарейка довольно быстро "садится" от большого тока.

1. Возьмём новый гальванический элемент или заряженный аккумулятор.

Измерим вольтметром ЭДС нового источника тока и запишем её значение.

2. Соберём цепь с исследуемым источником тока, датчиком тока на 2,5 А,

(не перепутайте его с датчиком на 250 мА - сгорит!!!), ключом и реостатом (всё соединяем последовательно), покажем ее учителю перед включением.

Внимание! Типичная ошибка – плохие контакты в цепи. На графике видны колебания тока.

3. Установим в NOVA частоту 1 измерение в секунду и длительность - бесконечно.

Не забудем подключить NOVA к подзарядке.

Поскольку эксперимент займёт более часа, займемся чем-нибудь полезным. Рекомендуется исследовать такой же установкой другой источник тока и сравнить их.

Позаботимся, чтобы никто не трогал установку во время эксперимента.

4 .С помощью реостата установим ток разряда (для элемента 1,5 В около 1- 1,5 ампера) и запустим измерения. Когда ток упадет до определенного уровня – например, до 0,5 ампера (обсудите этот вопрос с учителем), закончите опыт. Действительно, батарейка еще работает, а низкий ток уже не позволяет использовать ее в приборах.

Внимание! Аккумулятор НЕЛЬЗЯ полностью разряжать - он выйдет из строя! Будьте внимательны, отслеживайте ток, как только ток начнёт явно резко падать – пора заканчивать опыт.

5. Разберём цепь, отключим источник тока. Снова измерим его ЭДС вольтметром, запишем результат и сравним с начальным значением.

6. У нас есть график зависимости I(t) . Проинтегрируем его (Анализ→Интеграл).

Получится график зависимости перекачанного заряда от времени в [А*с].

Значение этой функции в наивысшей точке - это и есть весь прошедший через источник тока заряд. Переведём результат в [А*ч] и запишем его.

Сохраним файл.

Распечатаем графики I(t) , q(t).

7. Выбросим использованный гальванический элемент. (Аккумулятор выбрасывать не надо!) Положим оборудование на место.

Внимание! Типичная ошибка - путать старые и неиспользованные источники. НЕ пометить оставшиеся после разборки батареи элементы, как "новые", не выбросить использованный гальванический элемент после работы.

8. Проанализируем зависимость I(t), q(t). Сделаем выводы. Составим краткий отчет о работе и сдадим его.

9. Кстати:

В сети Интернет можно найти множество интересных данных об испытаниях различных источников тока. Можно при желании исследовать достаточное количество различных батареек и написать статью о них. (Цена 1 ампер-часа на рынке батареек.)

Не забудьте, что емкость батареек значительно зависит от тока разряда!

, шк. 179 МИОО, 2009

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 14

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА ОТ ТОКА В ЦЕПИ

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ: Знание темы: Источник тока, ЭДС, короткое замыкание, закон Ома для полной цепи.

Школьные учебники предполагают, что источник тока имеет некоторое постоянное внутреннее сопротивление, однако здесь кроется страшный обман...

В работе предлагается исследовать этот вопрос.

ОБОРУДОВАНИЕ

Исследуемый источник тока например, гальванический элемент на 1,5 В (не старый!) или "мизинчиковый" аккумулятор, реостат на 6-10 Ом, провода, ключ, цифровой мультиметр, компьютер "NOVA", датчик напряжения, датчики тока 2,5А (может понадобиться два одинаковых датчика тока, если ток короткого замыкания превышает 2,5А)

Хороший вариант - батарея типа "Крона" на 9В, реостат на 30-50 Ом. В этом случае ток не превысит 1 - 1,2А.

ПОДГОТОВКА:

1. Возьмем гальванический элемент на 1,5 вольта, (например, пальчиковый).

Убедимся, что элемент новый. Проверим годность источника тока амперметром (можно взять мультиметр на пределе измерений, например, 20А) ток при кратковременном (!) – (одна - две секунды) коротком замыкании должен быть 2- 5 А.

- Запишем ток короткого замыкания.

Если ток короткого замыкания превышает 2,5 А, в следующих исследованиях целесообразно подключить два датчика тока параллельно, таким образом можем измерять токи до 5А.

2. - Измерим и запишем ЭДС источника тока.

Для этого надо просто подключить вольтметр к источнику без нагрузки.

3. Соберем цепь из источника тока, ключа, датчиков тока и напряжения, реостата.

Внимание! Большой ток быстро разряжает батарейку! Нельзя держать ключ замкнутым дольше нескольких секунд, которые необходимы для снятия показаний приборов.

ВНИМАНИЕ! У реостата обычно три вывода - два крайних и средний. Если подключить провода к двум крайним выводам, сопротивление будет невозможно регулировать.

ВНИМАНИЕ! не перепутайте датчик на 2,5 А с датчиком на 250мА, а то датчик сгорит!

Покажите собранную цепь учителю, расскажите, что собираетесь делать дальше.

ТЕОРИЯ:

4. В цепи (см. рисунок) датчик напряжения покажет напряжение U на сопротивлении R+ rA. Зная ЭДС источника ع, ток в цепи I и напряжение U, легко найти внутреннее сопротивление r источника тока.

Нарисуйте схему. Выведите самостоятельно формулу для r и покажите вывод формулы учителю. Должно получиться : r = (ع - U)/I

ЭКСПЕРИМЕНТ:

5. Установим частоту 25 измерений в секунду для пробного опыта. Если график получается "рваным", можно установить частоту, например, 100 измерений в секунду. (При такой частоте на NOVA 5000 график выведется на экран только после остановки опыта).

Установим максимальное сопротивление в цепи.

Замкнём цепь.

По возможности равномерно изменим сопротивление от максимума до нуля, затем опять до максимума и так несколько раз. Рекомендуется сделать весь опыт секунд за десять - пятнадцать. Разомкнём цепь.

Сохраним результаты опыта.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ:

6. Построим на компьютере график зависимости I от времени и график r = (ع - U)/I от I

Рекомендации по построению графика. (Коломеец Иван, 11Б, 2009)

а) Нахождение зависимости тока от времени.

Если использовалось два датчика тока одновременно, сложим их показания. "Мастер анализа" – "Операция"- "Сложение", в качестве аргумента выберем I1 , I2

б) Нахождение зависимости ع - U от времени.

"Мастер анализа" – "Операция"- "Линейная" - в качестве аргумента выберем U, коэффициент при U возьмём -1, а свободный член зададим равным ع .

в) Нахождение зависимости r = (ع - U)/I от времени.

"Мастер анализа" – "Операция"- "Деление"- первый аргумент- график, полученный в б), второй аргумент - график из а) или ток.

г) Нахождение r = (ع - U)/I от тока в цепи.

К сожалению, старая NOVA упорно давала ошибку при попытке сделать это действие, поэтому в качестве аргумента придётся выбрать r, а в качестве функции I. Хотелось бы сделать наоборот, но это получается не в каждой версии программного обеспечения. (Попробуйте, конечно, сделать правильный график.)

"Свойства графика"- в качестве оси x выберем (ع - U)/I из в)

д) Выведем I из а), получим требующийся график, правда, с "перепутанными" осями.

Сохраним результаты обработки данных.

7. Подпишем график, позаботимся, чтобы на осях были понятные обозначения и легко читаемые числа. Не забудем записать тип исследуемого источника тока. Отметим на графике начало и конец опыта.

8. Сравним графики для уменьшающегося сопротивления нагрузки и для увеличивающегося Есть ли существенная разница между ними? Что происходит? Может быть, нагревание батарейки влияет на внутреннее сопротивление?

9. Запишем выводы. Какова зависимость внутреннего сопротивления источника тока от тока в цепи?

10 ДОПОЛНИТЕЛЬНО:

а) Хорошо бы дать батарейке остыть несколько минут, затем повторить опыт и посмотреть, стабильны ли полученные зависимости, влияет ли разрядка батарейки на результаты.

, шк. 179 МИОО, 10 апреля 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 15

ИЗМЕРЕНИЕ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

ОБОРУДОВАНИЕ компас, чистый лист бумаги, скотч, датчик индукции магнитного поля, NOVA-5000, секундомер или часы, транспортир, угольник, отвес.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ: знание основ тригонометрии, векторы, проекции вектора на ось, понятие о магнитном поле.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Определить направление и модуль вектора индукции магнитного поля Земли.

Понять, что мы находимся в поле и приобрести навык измерения его.

ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ОПЫТ

Чувствительный элемент датчика находится в его конце и помечен тонкой линией на корпусе.

На измеряемое магнитное поле могут значительно повлиять железные детали стола, узлы крепления, шурупы. Снимем с себя и уберём далеко часы, компас и другие железные вещи, которые могут влиять на магнитное поле, если находятся близко к датчику.

Что такое "близко?" Неплохо бы проверить. Закрепим датчик неподвижно (можно приклеить скотчем к столу). Установим высокую чувствительность переключателем на корпусе датчика. Частота измерений -10 в секунду, продолжительность- бесконечно. Будем приближать издалека к датчику часы или другой маленький железный предмет. Оценим расстояние, начиная с которого присутствие предмета изменяет показания датчика. Проверим то же самое для компаса, для массивного предмета, например, для пятикилограммовой железной гири. Проверим влияние включенного блока питания для NOVA на показания датчика. Запишем полученные расстояния.

ИДЕИ РАБОТЫ

Датчик показывает значение проекции вектора магнитной индукции (в той точке, где находится чувствительный элемент датчика) на ось датчика. Вращая датчик в горизонтальной плоскости, получим график зависимости проекции вектора Вгор на каждое направление.

Найдем направление, где проекция Вгор наибольшая. (Оно должно бы совпасть с направлениями на север и на юг.)

Затем установим в вертикальной плоскости лист из немагнитного материала, (например, большой картонный ящик) так, чтобы направление север-юг лежало в этой плоскости. Вращая датчик параллельно установленной плоскости, проведем аналогичные действия, в результате получим максимальное значение В и определим угол наклона вектора индукции по отношению к горизонтали.

Зная максимальные значения Вгор и В, найдем угол наклона вектора магнитной индукции к горизонту. (Это легко, нарисуйте соответствующий треугольник – вектор В и его проекции. То же самое можно, но менее удобно, получить прямым измерением угла наклона оси датчика к горизонту в тот момент, когда показания датчика, вращаемого в вертикальной плоскости, достигнут максимального значения.)

УСТАНОВКА

Найдём горизонтальную поверхность, располагающуюся вдалеке от железа, магнитов, компасов, блоков питания, проводов, стен, пола, штативов. Неплохо делать опыт на лежащей между двух столов широкой доске или фанере. При этом стальные элементы конструкций столов будут находиться далеко от датчика.

НЕ забудьте, что датчик после вращения в горизонтальной плоскости придется вращать в вертикальной, при этом чувствительный элемент (конец датчика с чёрточкой) должен находиться в одном и том же месте.

МАЛЕНЬКАЯ ХИТРОСТЬ

Зависимость Вгор получится от времени, а нам хочется – от азимута. (Азимут-угол между направлением на север и выбранным направлением, отсчитывается от направления на север по часовой стрелке, например, востоку соответствует 90о, а западу - 210о).

Поэтому на приклеенном скотчем к столу листе отметим центр вращения и направления на север и юг (по компасу) и аккуратно разметим лист углами по 12о, в ходе опыта будем стараться равномерно поворачивать датчик так, чтобы угол 12о проходился за 2 секунды, тогда на 360 градусов повернем ровно за минуту. Продолжительность опыта тоже установим одну минуту - тогда вид графика зависимости от времени и от угла будет почти одинаков. Можно сделать один аккуратно размеченный лист и оставить его тем, кто будет делать эту работу после вас.

Если в комплекте лаборатории есть датчик угла поворота (скорее всего, в единственном экземпляре), можно подсоединить его (немагнитными материалами) к центру вращения. Датчик поворота должен быть достаточно удалён от датчика магнитного поля.

ХОД РАБОТЫ

1) Подготовим место для опыта, приклеим размеченный лист скотчем к столу.

2) Установим высокую чувствительность. Запустим опыт и начнём вращать датчик в горизонтальной плоскости, контролируя поворот на каждые 6 градусов за секунду. Один человек вращает, другой - диктует время каждые две секунды. Потренируйтесь, прежде чем запустить измерения.

Не забудем точно определить положение точки, вокруг которой вращали датчик - оно необходимо для следующего опыта.

Внимание: Типичная ошибка - вращать датчик вокруг неверной точки, например, середины или места, где выходят провода.

Почему важно вращать датчик вокруг точки, где находится чувствительный элемент?

3)Получим график зависимости Вгор(t)и распечатаем его. (Внимание! Позаботьтесь о том, чтобы на оси ординат выведенного графика были читаемые цифры. По - видимому, чтобы не терять точность, надо указать перед опытом число выводимых знаков.)

Подпишем ручкой на оси времени соответствующие значения азимута. Отметим на графике точки, где модуль значения Вгор наибольший (таких точек должно быть две, одна - когда датчик "смотрит" на север, другая - когда на юг).

Почему именно в этих положениях датчика получились наибольшие по модулю значения?

4) Найдём горизонтальную составляющую магнитной индукции поля: Сумму модулей Вгор в двух точках, где значение максимально (соответствующих направлению на север и юг), поделите на 2.

Заодно сравним, одинаковы ли по модулю эти значения.

Запишем Вгор макс=

5) Теперь, при помощи большого угольника установим вертикальную поверхность так, чтобы направление север-юг (точнее то, где Вгор максимально), лежало в этой плоскости.

Убедимся, что чувствительный элемент датчика находится в той же точке, что и в первом опыте.

Проведем эксперимент аналогичным образом, с поворотом датчика на 180о (под стол датчик опускать неудобно) за 30 секунд, приклеив лист с разделением на 12-градусные углы к вертикальной плоскости.

Распечатаем этот график.

Определим и запишем модуль вектора В (максимальное значение на полученном графике).

6) Найдём угол, который образует вектор В с горизонтом. Во - первых, его можно увидеть на графике. а более точно угол можно рассчитать как арксинус отношения модуля индукции магнитного поля к горизонтальной составляющей. (Нарисуйте картинку, объясните почему!)

7) ПРОСТОЙ ВАРИАНТ ОПЫТА

К тому месту датчика, где выходит провод, прикрепим отвес. Расположим датчик горизонтально на весу, при этом конец датчика надо прислонить к какому-нибудь выступающему немагнитному предмету, например, к торцу вертикально стоящей прочно закреплённой доски. Зафиксируем конец датчика в определенной точке и не будем позволять ему сдвигаться (датчик может только вращаться).

Конечно, хорошо бы сделать устройство, позволяющее при этом не держать датчик в руках. Можно попробовать приспособить для этого пластмассовые детали конструктора.

Алгоритм действий:

Медленно поворачиваем датчик в горизонтальной плоскости (вокруг вертикальной оси). Если при выбранном направлении вращения показания увеличиваются - продолжаем, уменьшаются - вращаем в другую сторону. Продолжаем вращать датчик, пока не будет достигнут максимум показаний. Как только "проскочим" максимум и показания начнут уменьшаться, возвратим датчик обратно в положение "максимума". Теперь сделаем то же самое, вращая датчик в вертикальной плоскости. Затем, уже с меньшими углами поворота - снова вокруг вертикальной оси, затем вокруг горизонтальной. В конце концов, остановимся в том положении, где проекция поля на ось датчика наибольшая. Тут-то и измерим угол между датчиком и вертикалью по отвесу, а также узнаем значение В.

Запишите результат, полученный таким способом. Какой способ, на ваш взгляд, лучше?

Какой способ быстрее, какой нагляднее?

8) Нарисуем Землю и линии индукции магнитного поля Земли, объясните, почему угол их наклона на широте вашей школы таков.

9) Если бы опыт проводился в южном полушарии, что изменилось бы?

10) Дополнительное задание. Известно, что, поскольку магнитное поле направлено явно не горизонтально, железные предметы, постоянно находящиеся в одном вертикальном положении (ножки столов, отопительные батареи, и др.) намагничиваются. Проверьте правильность этого утверждения, измерив индукцию поля вверху и внизу такого предмета каждый раз направляя датчик строго горизонтально на север. Проверьте для нескольких предметов. Кратко напишите, что получилось. (То же самое получается и с компасом)

11) Дополнительное задание. Исследуйте поле разных местах класса. Датчик ориентируйте все время одинаково на север. Что получилось? Есть ли места с повышенной индукцией поля?

, шк. 179 МИОО, апрель 2010,

при участии учащихся 10 Б класса Ивана Коломейца и Ильи Сухорукова

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 17

ИЗУЧЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ЯРКОСТИ СВЕЧЕНИЯ

НИТИ НАКАЛА ЛАМПЫ

ЦЕЛИ РАБОТЫ:

1. Получить вольт - амперную характеристику лампочки накаливания.

2. Получить зависимость температуры нити накаливания от потребляемой лампочкой мощности.

3. Получить зависимость освещённости от потребляемой лампочкой мощности.

4. Исследовать, при какой температуре нити накаливания лампочка перегорит.

ОБОРУДОВАНИЕ:

- несколько одинаковых лампочек накаливания.

(Хорошо использовать лампочки от старой ёлочной гирлянды), напряжение питания лампочек - не выше 12 В!

УЧИТЕЛЮ:

В том случае, если будет исследоваться лампочка, питающаяся от сети 220В, помните, что датчик тока НЕ развязывает цепи и сеть, следовательно, все проводники, а также компьютер оказываются подключенными к сети! Это очень опасно! Если же вы все же делаете такое исследование под руководством учителя, не забудьте обязательно ОТКЛЮЧИТЬ компьютер от сетевого блока питания, иначе компьютер и датчики выйдут из строя! Одновременное непродуманное использование при работе с высокими напряжениями датчика тока и напряжения может также привести к пробою датчиков!

- батарея или несколько последовательно соединённых батареек, при этом напряжение должно быть достаточно (с запасом), чтобы сжечь исследуемую лампочку.

(Удобно взять регулируемый (плавно) блок питания, но с ним обычно бывают проблемы у "Архимеда")

- реостаты, например, на 500 и 50 Ом, если работаем с нерегулируемым блоком питания,

- провода, ключ, мультиметр,

- NOVA - 5000,

- датчик тока, напряжения, освещённости (2 шт.),

- коробка или труба, в которой располагаются лампочка и датчик освещённости, обеспечивающая неподвижность их положения и не допускающая доступа света извне.

Выясните у учителя, можно ли в ходе работы довести лампочку до перегорания и спросите, какое максимальное напряжение разрешается подавать на эту лампочку, чтобы она не перегорела.

ПОДГОТОВКА

ПОЛУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ ИССЛЕДУЕМОЙ ЛАМПОЧКИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ НИТИ НАКАЛИВАНИЯ (По данным справочника и измеренному сопротивлению лампочки при комнатной температуре).

(Девятиклассникам: Т- абсолютная температура, измеряется в Кельвинах (К), a t - температура, измеренная в градусах Цельсия. Т = t + 273 )

В Справочнике "Физические величины" приведена зависимость сопротивления отрезка вольфрамовой проволоки длиной 1 см и диаметром 1 см от температуры. Ниже приведён фрагмент таблицы 21.27:

T, К R*10-6,Ом Т, К R*10-6, Ом

273 6,37 293 6,99

300 7,20 400 10,26

500 13,45 600 16,58

700 20,49 800 24,19

900 27,94 1000 31,74

1100 35,58 1200 39,46

1300 43,40 1400 47,37

1500 51,40 1600 55,46

1700 59,58 1800 63,74

1900 67,94 2000 72,19

2100 76,49 2200 80,83

2300 85,22 2400 85,65

2500 94,13 2600 98,66

2,22 2,85

2,51 3,24

3,95 3,76

3,60 3,49

3,42 3,40

3,15

Температура плавления вольфрама при нормальном давлении 3420 °С = 3693 К (из таблицы 12.1 того же справочника.)

В лампочке нить накаливания тоже вольфрамовая, но другого размера, поэтому данные для лампочки будут пропорциональны справочным данным.

1. Измерьте сопротивление лампочки "при комнатной температуре" мультиметром и запишите его значение.

(Замечание: При этом придётся пропустить ток через лампочку, и нить накаливания нагреется. Поэтому ток должен быть минимально возможным. Для проверки влияния тока мы брали самый чувствительный из имеющихся микроамперметров, и, подобрав очень малое напряжение, проводили измерение сопротивления, включив цепь на короткое время. Измерения сопротивления лампочки при токах 30 и 90 мкА, а также измерение сопротивления мультиметром показали хорошее совпадение результатов, поэтому можно считать, что измеренное сопротивление соответствует "комнатной" температуре. Так что можно пользоваться мультиметром. Желающие могут повторить наш опыт.

ВНИМАНИЕ! Микроамперметр выйдет из строя при большом токе! Если есть сомнения, включите сначала малочувствительный миллиамперметр, (или мультиметр на соответствующем пределе измерений), чтобы определить примерное значение тока. Амперметры включают последовательно и никогда не подключают непосредственно к источнику тока! Прежде чем подключать микроамперметр, покажите учителю, как и куда вы собираетесь его включить! (До включения, а не после того, как он перегорит!)

2. Постройте зависимость сопротивления ВАШЕЙ ЛАМПОЧКИ от температуры на миллиметровке в хорошем масштабе. Предположим, что измеренное сопротивление R соответствует 300К. Надо умножить данные таблицы на R/(7,20*10-6), затем построить нужный график.

(Добрый совет: там, где это уместно, берите данные таблицы через одно.)

3. Известно, что сопротивление чистых металлов можно считать с неплохой точностью пропорциональным абсолютной температуре [1], а коэффициент пропорциональности примерно составляет 1/273 град-1, т. е. R(t) = R0(l+t/273) или, то же самое, R(T) = R0(T/273), где R0 - сопротивление при нуле градусов Цельсия. Проверьте по полученному графику, является ли такое линейное приближение (график проходит через точку (0,0)) достаточно точным для рассматриваемой задачи, где температура будет подниматься от комнатной до 3500К. Запишите вывод. Покажите построенный график учителю.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

4. В опыте потребуется плавное непрерывное изменение тока, проходящего через лампочку, поэтому блок питания, изменяющий напряжение "скачками" не подходит. (Более того, подключение нескольких датчиков напряжения с NOVA-5000 к исправному стабилизированному блоку питания вместо постоянного напряжения показывало колебания с падением напряжения до нуля, с периодом в 2-3 секунды, да ещё и со сдвигом по фазе для каждого датчика! И компьютер меняли и блок питания - результат тот же. При этом от батареек всё работало нормально.)

Неплохое решение - использовать реостаты, включенные последовательно с лампочкой – например, один - на 500Ом, а последовательно ему - на 50 Ом, что позволит провести измерения сначала на малых токах (плавно изменим при этом сопротивление реостата от 500Ом до 0), затем – более точно, на больших токах (плавно изменим сопротивление второго реостата от 50 Ом до разрешенного напряжения или до перегорания лампочки).

Подключите датчики тока и напряжения, установите блоком питания или реостатами минимальное напряжение, попросите учителя проверить схему перед включением.

ПРОБНЫЕ ОПЫТЫ

5. Убедитесь, что яркость свечения лампочки изменяется от нуля до яркого свечения. (ВНИМАНИЕ! НЕ СОЖГИТЕ ЛАМПОЧКУ!)

ВНИМАНИЕ:

Если в цепи плохие контакты, опыт не получится!

6. Установите частоту 10 измерений в секунду.

ЗАМЕЧАНИЕ:

На графиках, которые мы будем строить, должна быть важная точка - соответствующая нулю тока и нулю напряжения на лампочке. Чтобы не потерять её, сначала включите регистрацию данных, а сразу после этого – ток в цепи (разумеется, минимально возможный).

Медленно увеличивайте напряжение до яркого свечения.

Убедитесь, что датчики тока и напряжения не "зашкаливают".

Убедитесь, что установка работает нормально.

ОПЫТ

7. Выполните опыт "начисто". Получите график зависимости тока и напряжения от времени. Получите график зависимости тока от напряжения на лампочке - он называется вольт - амперной характеристикой. Распечатайте вольт - амперную характеристику лампочки. Не забудьте про "хороший" масштаб. График надо подписать.

Не забудьте обеспечить, чтобы на графике была точка, где ток и напряжение равны нулю.

Неплохо построить график, соответствующий увеличению тока (до яркого свечения лампочки), а затем, не прерывая записи - в сторону уменьшения тока. Если всё хорошо, графики должны "наложиться" друг на друга. А если нет, попробуйте объяснить результат.

Объясните, почему график не линеен, ведь закон Ома говорит, что I=U/R.

Сохраните экспериментальные данные.

ПРОБНЫЙ ОПЫТ

8. Подберите чувствительность и расположение датчика освещённости так, чтобы он не "зашкаливал" при максимальной яркости. В то же время, он не должен показывать "слишком мало". Просто подвигайте датчик, посмотрите, при каком расстоянии показания выйдут на "полочку".

Установите лампочку в трубу. Убедитесь, что обеспечена неподвижность лампочки и датчика. Убедитесь, что датчик освещённости показывает ноль, когда лампочка не светится (проверьте!) и показывает что-то разумное (и не выходит на ограничение!), когда лампочка светится ярко. Потребуется подобрать взаимное расположение датчика и лампочки. Рекомендуется установить в коробке два датчика освещённости с разной чувствительностью, тогда можно точно "отследить" и очень слабое и сильное свечение лампочки.

Внимание:

Будет обидно, если при перегорании лампочки датчик освещённости выйдет на предел измерений - придётся переделывать опыт.

Должна быть обеспечена неподвижность лампочки и датчиков во время опыта!

ОПЫТ

9. Установите запись данных с частотой 25 измерений в секунду.

Включите запись данных, затем включите ток.

постепенно (вначале - быстрее, к концу опыта - медленно) и всегда-плавно увеличивайте ток в цепи, чтобы достичь максимального свечения секунд за 50.

Если учитель разрешил сжечь лампочку - сделайте это в только конце работы (в том случае, если вы уверены, что всё получится и опыт не придётся переделывать).

Внимание!

Если лампочка перегорела, а опыт надо переделать – придётся повторно выполнить пункты 1 и 2!

Сохраните экспериментальные данные.

ОБРАБОКА РЕЗУЛЬТАТОВ

10. Если лампочку довели до перегорания, вероятно, получилась более качественная вольт-амперная характеристика, чем в опыте из пункта 7. Если это так, распечатайте и этот график.

11. Выведите зависимость тока от напряжения на экран и при помощи курсора снимите данные (например,15-20 точек, в "интересных" местах точки надо брать чаще), нужные для построения хороших графиков. Заполните этими данными таблицу со столбцами:

Ток I - измеренное значение, мА,

Напряжение U - измеренное значение, В,

Сопротивление лампочки R = I/U (расчёт), Ом,

Потребляемая мощность P= IU, (расчёт), Вт

Температура нити накаливания Т, К (Зная сопротивление, легко определить значение температуры по графику из пункта 2.)

12. Постройте на миллиметровке график зависимости температуры нити накала от потребляемой мощности. Отметьте на графике температуру, при которой перегорела лампочка и температуру плавления вольфрама. Сделайте выводы.

13. Постройте при помощи компьютера график зависимости освещённости от потребляемой мощности. Для этого надо построить график мощности, умножив (при помощи мастера анализа) I на U, затем выбрать IU в качестве аргумента, а освещенность - в качестве функции. (Освещённость - что нам нужно от лампочки, а мощность - то, за что мы платим деньги. Сделайте вывод.

14. Постройте при помощи компьютера график зависимости освещённости от напряжения на лампочке. При каком напряжении надо использовать эту лампочку?

15. ЗАМЕЧАНИЕ.

Согласно теории (закон Стефана-Больцмана), мощность излучения нагретым телом пропорциональна разности четвёртых степеней температуры тела и температуры окружающей среды. При высокой температуре нити накала можно пренебречь обратным потоком излучения от окружающей среды к лампочке, т. е. освещённость должна быть пропорциональна четвёртой степени абсолютной температуры нити накала. Но наш датчик воспринимает не всё излучение, а только видимую его часть (при этом большая часть излучения лампочки находится в инфракрасном диапазоне), поэтому проверить этот закон не получится L

16. Запишите выводы по работе.

17. ДОПОЛНИТЕЛЬНО:

Можно аккуратно разбить стекло у лампочки и исследовать, при какой температуре она перегорит на воздухе.

В работе использованы идеи из книги:

[1] , ,

Экспериментальные задачи на уроках физики и физических олимпиадах. — М.: МЦНМО, 2008.

, шк. 179 МИОО, 10 апреля 2011

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 18

ИЗМЕРЕНИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ СОЛЕНОИДА пробная

ОБОРУДОВАНИЕ:

Соленоид (его можно изготовить самостоятельно, намотав медную изолированную проволоку на кусок пластиковой трубы), батарейки, ключ, реостат 10-20 Ом, провода, датчик магнитного поля, штатив с алюминиевой лапкой, NOVA, изолента, скотч, две линейки 40-50 см, датчик тока 2,5 А.

Внимание! Работа с блоком питания не получается - "глючит" программа Multilab, даже на обычном компьютере. Пользуйтесь батарейками.