Лабораторный практикум по физике (стр. 5 )

Литература.

1. Савельев общей физики т. 2, любое издание.

2. . Курс физики, любое издание.

3. Скорохватов лекций по электромагнетизму. М: МИИГАиК, 2006г.

Внимание! Для успешной защиты этой работы необходимо дополнительно к её описанию проработать по учебнику ”Курс физики” главу 12 «Постоянный электрический ток»; §§96 –101.

Лабораторная работа № 000

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ДВУМЯ МЕТОДАМИ

Приборы и принадлежности: лабораторная установка, вольтметр, переменный резистор.

Цель работы: изучение методов работы с цепями постоянного тока,

Краткая теория:

Для получения постоянного тока в проводнике необходима постоянная разность потенциалов на его концах, В электрических цепях ее создают различные источники тока. Внутри источника тока за счет сил неэлектрического происхождения - сторонних сил - происходит разделение зарядов и таким образом поддерживается постоянное напряжение на внешней цепи. Для разделения нужно затратить некоторую энергию, и мерой этой энергии является ЭДС. Например, для получения тока в цепи с гальваническими элементами используется энергия химических реакций внутри элементов.

Энергия, выделяющаяся в источнике тока, расходуется на совершение работы по перемещению зарядов по всей замкнутой цепи. Таким образом, ЭДС есть физическая величина, измеряемая работой сторонних сил, которую нужно затратить для перемещения единичного положительного заряда по всей цепи (внешней и внутренней).

В работе изучается два метода измерения ЭДС: непосредственный, с помощью вольтметра (рис. I), и метод компенсации. В схеме (рис.1) по закону Ома для замкнутой цепи имеем:

Откуда легко найти (показание вольтметра):

Таким образом, ошибка измерения ЭДС с помощью вольтметра равна и она будет тем меньше, чем больше сопротивление вольтметра

Рис. 1 . Схема метода непосредственных измерений.

Рис.2. Электрическая схема установки.

Более точным, методом измерения ЭДС является метод компенсации. Схема лабораторной установки для изучения этого метода приведена на рис. 2. Если измеряемая ЭДС меньше напряжения источника питания установки U, то, перемещая движок потенциометра , можно найти такую точку С, когда напряжение будет равно измеряемой ЭДС, т. е. . В момент компенсации ток в гальванометре равен нулю. Следовательно, Ir = 0 и напряжение точно равно . Методическая ошибка, присущая первому методу ( Ir = 0 ), в методе компенсации исключена.

Заменим исследуемый элемент с ЭДС эталонным элементом с ЭДС , снова добьемся компенсации. Пусть в этом случае движок потенциометра окажется в точке Д, тогда . Поделив выражения для и одно на другое, получим

(1)

Так как , где и соответственно расстояния по шкале потенциометра, то выражение (1) имеет вид: .

Реостат предназначен для изменения тока в цепи потенциометра и получения различных серий измерений. Сопротивление ограничивает ток через гальванометр. Сначала компенсацию выполняют "грубо", а затем, нажав кнопку, устанавливают момент компенсации «точно».

Порядок выполнения работы

I метод

1. Подключите вольтметр к клеммам (он расположен отдельно от установки) и запишите показания вольтметра в таблицу 1.

2. Запишите данные вольтметра (номер, тип, класс точности), необходимые для определения погрешности измерения.

П метод

1. Присоедините переменный резистор к клеммам 1, 2, 3 на установке. Подключите установку к источнику питания (220 В); поставьте в положение «Вкл» и установите переключатель П в верхнее положение.

2. Установите произвольное значение сопротивления реостата, довернув его ручку вправо приблизительно на 60-70°. Добейтесь компенсации, перемещая движок потенциометра.

3. Подключив источник с ЭДС (переключатель П устанавливается в нижнее положение), повторите те же действия, что и для , не изменяя сопротивление . Результат запишите в таблицу.

4, Увеличьте сопротивление , повернув движок еще на 60°-70°,

и измерьте соответствующее значения и . Затем снова

поверните движок на 60°-70° и проделайте третью серию измерений.

Результаты запишите.

ВНИМАНИЕ. Окончив измерения, поставьте переключатель в среднее положение, а установку выключите.

Таблица

	1 метод	2 метод
1
2
3

5. По результатам измерений вычислите значения ЭДС.

6. Рассчитайте систематическую погрешность определения ЭДС первым методом по методике, изложенной в работе 201. Класс точности прибора указан на его корпусе.

7. Сравните результаты измерения ЭДС двумя методами и объясните

разницу полученных значений.

Контрольные вопросы

1. Рассчитайте напряжение, которое покажет вольтметр в схеме

(рис. I), если = 10В, r = 1,0 Ом, =99 Ом.

2. Какой физической величиной компенсируется ЭДС в схеме

(рис. 2)?

3. Как влияет внутреннее сопротивление элемента на точность измерения его ЭДС в первом и втором методах?

4. Какие технические средства нужно применить, чтобы повысить

точность определения ЭДС методом компенсации в данной лабораторной работе?

5. Какой физический смысл имеет ЭДС?

Литература.

1. Савельев общей физики т. 2, любое издание.

2. . Курс физики, любое издание.

3. Скорохватов лекций по электромагнетизму. М: МИИГАиК, 2006 г

Лабораторная работа № 000

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ОМА ДЛЯ ЦЕПЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Приборы и принадлежности: установка для данной работы.

Цель работы: изучение закона Ома для участков цепи, содержащих и не содержащих ЭДС, а также для замкнутой цепи.

Краткая теория

Обобщённый закон Ома.

Рассмотрим участок электрической цепи, изображенный на рис.1.

Подчеркнём, что нами выбран участок из некоторой произвольной электрической цепи. В ней могут быть другие ЭДС, не входящие в выделенный участок, под действием которых ток по данному участку может течь и навстречу данной ЭДС.

Примечание. 1) На рис.1 вертикальными линиями показано изображение источника тока, имеющего характеристики: ЭДС и внутреннее сопротивление r. Часто вместо слов источник тока говорят: ЭДС. 2)Терминология: участок цепи, содержащий ЭДС и сопротивление R называется неоднородным, а содержащий только сопротивление R – однородным.

Найдем взаимосвязь между величинами I, , j1, j2, j3 для рассматриваемого участка. Обозначим общее сопротивление между точками 1-3 через R0: R0=R+r, где R-сопротивление внешнего участка цепи, r - внутреннее сопротивление источника ЭДС.

Выразим потенциал точки 1 через потенциал точки 3.

  При перемещении от точки 3 к точке 2 идем встречно ЭДС, поэтому потенциал точки 2 оказывается ниже (меньше), чем потенциал точки 3 на величину ЭДС , т. е.

j2 = j3 - .

Так как на участке без ЭДС ток течет от более высокого потенциала к более низкому, то потенциал точки 1 выше, чем потенциал точки 2, на величину напряжения в сопротивлении R0 : j1=j2 + IR0.

Таким образом, имеем: j1=j3 - +IR0 или IR0=j1- j3+, откуда

(1) Запомнить!

Если ЭДС направлена встречно току, текущему по данному участку, то в формуле (1) ее надо взять со знаком минус.

За направление ЭДС принято направление от «-» к «+» (внутри ЭДС).

Выражение (1) является наиболее общей формой закона Ома, из которой следуют известные частные случаи:

1. Если участок цепи не содержит ЭДС: = 0, r = 0, тогда из формулы (1) имеем

IR=j1-j2=U12º U, откуда I=

Это закон Ома для однородного участка цепи, т. е. участка

цепи, содержащего только сопротивление R.

2. Замкнем точки 1 и 3, тогда j1=j3 и формула (1) будет иметь вид:

IR0= I(R+r)= или I=.

Это закон Ома для замкнутой цепи с источником тока.

3. Если внешняя цепь разомкнута (т. е. I=0), то j1=j2 и j2 -j3=.

Таким образом, разность потенциалов на концах разомкнутого источника тока равна ЭДС.

Говоря о напряжении, необходимо рассматривать два случая :

1.Напряжение на участке цепи равно разности потенциалов на концах этого участка лишь тогда, когда в нем нет источника тока, т. е.

U12=j1-j2=IR

Иногда величину называют U12 падением напряжения (т. к. j1>j2).

В общем случае, если участок цепи содержит ЭДС, то напряжение на этом участке выражается формулой :

U13= j1-j3 ± .

Полезно иметь в виду, что U13 = - U31.

  Дополнение. Разность потенциалов, ЭДС, напряжение – физический смысл этих понятий:

Для участка цепи, изображенного на рис.1 очевидно, что при перемещении заряда между точками 1-3 работа совершается не только кулоновскими силами, но и сторонними силами, поэтому полная работа равна:

Апол= Акул+Астор.

Разделим обе части равенства на величину перемещаемого положительного заряда q, получим:

По определению разность потенциалов равна отношению работы, которую совершают кулоновские силы при перемещении заряда, к величине этого заряда:

Dj12=j1-j2=

Электродвижущей силой ЭДС () на данном участке называется физическая величина, равная отношению работы, совершаемой сторонними силами при перемещении положительного заряда q, к величине этого заряда:

.

Напряжением на участке цепи 1-3 называют физическую величину, равную отношению суммарной работы, совершаемой при перемещении положительного заряда q, к величине этого заряда:

U13= .

Таким образом,

U13= j1-j3+.

Описание установки, измерения и обработка результатов измерений

Описание установки.

Вид передней панели показан на рис.2. На ней расположены: вольтметр, амперметр, сопротивления R1, R2 (R2> R1), реостат RР, источник тока с ЭДС Е и кнопка К.

Величины внутренних сопротивлений амперметра и вольтметра указаны на передней панели.

Измерения и обработка результатов

Работу выполняют в следующем порядке:

Задание 1. Измерение электрических сопротивлений методом вольтметра-амперметра.

  Измерение сопротивления можно выполнить двумя способами, используя схемы, показанные на рис.3 и рис.4.

Введем расчетные формулы для неизвестного сопротивления Rх в каждом из указанных способов. Для схемы 1 на рис. 3 можно записать:

IRх+IRA=UV, откуда (2)

В схеме 2 на рис.4 для постоянных токов справедливы следующие три уравнения с тремя неизвестными: Rx; Ix; Iv:

IVRV=UV, IxRx=UV , IX+IV=I, ( 3 )

из решения которых, получим: ( 4 )

При выполнении задания 1 используйте обе схемы, приведенные на рис.3 и рис.4

Сначала с помощью проводов собирают на лабораторном стенде схему на рис.3. Найдите сопротивление каждого из двух предложенных резисторов R1, R2 методом вольтметра-амперметра двумя способами. Измерения R на каждой из схем проведите не менее 3 раз для разных значений силы тока. Силу тока в цепи изменяйте реостатом.

Результаты измерений токов и напряжений и вычислений текущих и средних значений R1, R2 для каждой схемы запишите в соответствующие таблицы для схем1 и 2 (рис.3 и рис.4). Для удобства различения величин R1 и R2 в таблицах для схемы 1 и схемы 2 их целесообразно обозначить так: R1-1 , R1-2 и R2-1 , R2-2 (первый индекс - сопротивление, второй –схема).

!!!Таблицы составить самостоятельно ДОМА при подготовке к лабораторной работе ДО её выполнения. Должно быть две таблицы для схемы 1; одна со столбцами: IA, UV, R1-1 и , другая – со столбцами IA, UV, R2-1 и . Ещё 2 аналогичные таблицы должны быть для схемы 2. Отдельно должны быть выписаны данные по RA и RV .

Оценка погрешности определения R с помощью схем 1 и 2:

Схема 1 и схема 2 отличаются различной систематической относительной погрешностью h определения величины сопротивления R. Для схемы 1 h1= (RA/ R)100% . Для схемы 2 h2= (R/RV)100%. Найдите величины h1 и h2 для сопротивлений R1 и R2. Заключение о точности измерения R1 и R2 сделать письменно.

Задание 2. Определение ЭДС источника тока и его внутреннего сопротивления r.

Используя данные приборы и резисторы, сопротивление которых вы нашли, найдите ЭДС источника тока и его внутреннeе сопротивление r .

Для этого соберите схему, приведенную на рис. 5. В качестве R возьмите сначала один резистор R1, затем другой резистор R2. Последовательно с реостатом Rp включите резистор R1 и измерьте ток I1 , а затем включите резистор R2 и измерьте ток I2 . Запишите полученные данные.

ВНИМАНИЕ. В обоих случаях сопротивление реостата (Rp=1 кОм) должно быть максимальным (для этого поверните его ручку до упора против часовой стрелки и не вращайте её больше).

Для определения двух неизвестных и r необходимо составить два уравнения (=IR+Ir) для значений R1 , I1 и R2 , I2 . Численные значения R1 и R2 взять как полученные средние арифметические значения в задании 1.

  Решая совместно указанные уравнения, найдем:

=[I1×I2 (R2 –R1)] ¤ (I1-I2) и r =(I2R2 – I1R1) ¤ (I1 –I2)

Результаты расчета записать в журнал.

Задание3. Выполняется по указанию преподавателя.

Соберите неразветвленную замкнутую цепь (Рис.6), состоящую из миллиамперметра, источника и резисторов (сначала R1, затем R2). Данные источника (, r) и сопротивлений R1, R2 уже найдены. Рассчитайте силу тока в этой цепи и сравните ее с показанием прибора. Результаты анализа записать в журнал.

Соберите неразветвленную замкнутую цепь (рис.7). Данные источника (, r), сопротивления R1, R2 и величины сопротивлений амперметра и вольтметра вам известны. Сравните результаты измерений с расчетами для этого случая (используя R1и R2). Результаты анализа записать в журнал.

Контрольные вопросы:

  Каков физический смысл разности потенциалов, ЭДС, напряжения?

  Запишите три вида закона Ома и приведите для каждого из них электрическую схему.

3.Влияет ли на точность определения величины сопротивления методом вольтметра-амперметра вид схемы, которая используется (см. рис.3 и рис.4)?

Зависит ли она от величины сопротивления?

4.Почему невозможно точное измерение ЭДС при подключении вольтметра к полюсам источника тока?

5.При подключении одинаковыми проводами к зажимам источника тока поочередно двух вольтметров первый показывает напряжение, несколько большее, чем второй. Почему? Ответ обосновать.

6. При измерении силы тока в цепи поочередно двумя амперметрами оказалось, что один из них показывает меньшую силу тока, чем другой. Почему?

Литература.

1. Савельев общей физики т. 2, любое издание.

2. . Курс физики, любое издание.

3. Скорохватов лекций по электромагнетизму. М: МИИГАиК, 2006 г

Лабораторная работа № 000

ЭЛЕКТРОННЫЙ ОСЦИЛЛОГРАФ

Приборы и принадлежности: осциллограф, лабораторная установка, генератор сигналов звуковой частоты.

Цель работы: изучение принципов работы электронного осциллографа.

Краткая теория

Электронный осциллограф предназначен для визуального наблюдения и фотографирования изменений исследуемого электрического сигнала во времени. Кроме того, он может быть использован для измерения амплитуды, частоты, фазы электрического сигнала и т. д.

Упрощенная структурная схема осциллографа приведена на рис. 1. Основным узлом осциллографа является электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), представляющая собой вакуумный баллон, внутри которого помещены электронная пушка, отклоняющая система и экран, покрытый люминофором, светящимся под ударами электронов (рис. 2).

Рис. 1. Структурная схема осциллографа

Электронная пушка создает пучок электронов, фокусирует и ускоряет его. Она состоит (см. рис.2) из катода 1, подогреваемого нитью накала 2, управляющего электрода 3, фокусирующего анода 4 и ускоряющего анода 5.

Электроны, излучаемые накаленным катодом, проходят через отверстие в управляющем электроде, потенциал которого (отрицательный относительно катода) определяет интенсивность проходящего пучка электронов, а, следовательно, и яркость светящегося пятна на экране ЭЛТ. Затем пучок электронов фокусируется в поле первого анода и ускоряется вторым анодом. В электрических полях электронной пушки электроны разгоняются до скорости порядка 10 м/с.

Процесс фокусировки электронного пучка в ЭЛТ подобен фокусировке световых лучей оптическими линзами, роль которых в ЭЛТ выполняют электростатические поля (электростатические линзы).

Отклоняющая система состоит из двух пар плоских пластин, отклоняющих луч по вертикали (пластины У) и по горизонтали (пластины X). Если напряжение на отклоняющих пластинах отсутствует, то светящаяся точка находится в центре экрана. Если же подать на одну из пар пластин постоянное напряжение, направление электронного луча изменится, и светящаяся точка на экране сместится на расстояние, пропорциональное поданному напряжению. В случае переменного напряжения электронный луч будет колебаться в плоскости, перпендикулярной плоскости пластин, а на экране появится светящаяся линия.

Осциллограф можно использовать в двух режимах: в первом случае на отклоняющие пластины трубки через усилители Y и X подают два

исследуемых сигнала (см. рис. 1). Во втором, наиболее общем случае исследуемый сигнал подается на вход Y, а на вход X подается напряжение от генератора развертки. Под действием пилообразного напряжения развертки луч отклоняется от одного края экрана до другого (рис. 3), а затем быстро возвращается обратно. При совместном воздействии на луч линейного напряжения развертки и напряжения исследуемого сигнала на экране ЭЛТ возникает кривая, соответствующая форме исследуемого сигнала (форме его изменений во времени). Для получения неподвижной картинки исследуемый сигнал должен быть обязательно периодическим, а период развертки должен быть равен целому числу периодов сигнала.

В этом случае за каждый период развертки луч "рисует" одну и ту же картинку. Синхронизация частот развертки и сигнала может производиться либо самим исследуемым сигналом, либо с помощью внешнего источника. Соответственно различают внутреннюю и внешнюю синхронизацию.

Подготовка осциллографа к работе

  Подключите осциллограф к сети, включите тумблер "сеть", при этом должна загореться сигнальная лампочка. На экране должна появиться горизонтальная линия. Если линия не появится в пределах экрана, найдите ее совместным вращением ручек "смещ. X" и "смещ. У" и расположите ее в центре экрана. Затем вращением ручек "яркость" и "фокус" сделайте светящуюся линию чёткой и не очень яркой. Осциллограф готов к работе. Целью следующего этапа является приобретение навыков в настройке осциллографа при подаче на его вход сигнала.

Включите лабораторную установку (ее электрическая схема показана на рис. 4). Соедините клемму 1 установки с клеммой "вход У", а клемму 2 - с клеммой "земля" осциллографа. Следует иметь в виду, что "вход Х" осциллографа состоит из двух клемм ("вход X" и "земля"), каждая из которых подсоединена к одной из пластин, отклоняющих луч по горизонтали. Аналогично две клеммы ("вход У" и "земля") имеет вход У осциллографа. Некоторые типы осциллографов имеют одну клемму "земля", которая является общей для входа X и для входа У. Ручками "усиление Х", "усиление У", "ослабление" установите желаемую величину изображения синусоидального сигнала ручками "диапазон частот", "частота плавно" и "синхронизация" установите на экране неподвижное изображение сигнала, содержащее желаемое число периодов.

Опишите в отчете действие каждой ручки управления.

ВНИМАНИЕ. В данной лабораторной работе возможно использование осциллографа другого типа, имеющего иное расположение ручек управления и их название. Однако их функциональное назначение одинаково.

Рис, 4. Электрическая схема лабораторной установки

Порядок выполнения работы

Работа состоит из двух частей.

Часть 1. Осциллограф как прибор для наблюдения электрических сигналов

1) Наблюдение однополупериодного напряжения.

Соедините клемму "вход У" осциллографа с клеммой 4 установки, а клемму "земля" - с клеммой 3. Зарисуйте осциллограмму однополупериодного выпрямленного напряжения. Объясните ее. Разберите цепь.

2) Наблюдение вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Переключатель "диапазоны частот" поставить в положение "выкл". Соедините клеммы 3, 4, 5 установки с клеммами "земля", "вход У", "вход X" осциллографа, В этом случае на вход X подается сигнал, пропорциональный напряжению на диоде, а на вход У - току через диод. Осциллограмма будет соответствовать вольтамперной характеристике диода. Зарисуйте и объясните ее. Разберите цепь.

3) Наблюдение сигнала сложной формы.

Подключите провод к клемме "вход У" и возьмите его в руки. Переключатель "диапазоны частот" поставьте в положение "2". На экране возникнет кривая напряжения, наводимого на ваше тело электрическими полями в помещении. Обратите внимание, что основная наводка соответствует току силовой сети с частотой 50 Гц.

Часть 2 Определение частоты сигнала и сравнение сигналов двух разных частот.

Развертку отключите. На вход X осциллографа подайте напряжение, изменяющееся с частотой, с клемм 1 и 2 лабораторной установки (соедините клемму "вход Х" осциллографа с клеммой 1 лабораторной установки, клемму "земля" осциллографа с клеммой 2 лабораторной установки). На вход У осциллографа подайте напряжение, изменяющееся с частотой , с генератора сигналов звуковой частоты (соедините клемму осциллографа "вход У" с клеммой генератора "600 Ом", а клемму осциллографа "земля" - с клеммой генератора "земля"). Изменяйте частоту генератора до получения одной из фигур Лиссажу (рис. 5). При этом выполняется условие: , где - - число точек касания фигуры с вертикальной линией, - с горизонтальной. Определите частоту напряжения на клеммах 1, 2 установки . Величина указана на круговой шкале генератора. Зарисуйте фигуры Лиссажу для случаев , , , .