Лабораторный практикум по физике (стр. 1 )

Федеральное агентство по образованию РФ

Московский государственный университет геодезии и картографии

Лабораторный практикум по физике

Электричество и магнетизм

Для студентов 1 и 2 курса всех специальностей

Москва – 2010

Оглавление

Инструкция по технике безопасности………………………………………………….4

  Введение. Общая характеристика требований к работе в лаборатории по электричеству……………………………………………………………5

Лабораторная работа № 000а «Ознакомление с электроизмерительными приборами»……………………………………………………………………….8

Лабораторная работа № 000б «Определение удельного сопротивления проводника»…………………………………………………………………….16

Лабораторная работа № 000 «Исследование электростатического поля»…………………………………………………………………………….24

Лабораторная работа № 000 «Определение емкости конденсатора»……………………………………………………………….…30

Лабораторная работа № 000 «Проверка правил Кирхгофа»……………..36

Лабораторная работа № 000 «Измерения сопротивлений при помощи мостовой схемы»……………………………………………………………….42

Лабораторная работа № 000 «Определение ЭДС источника двумя методами»………………………………………………………………….…...46

Лабораторная работа № 000 «Изучение законов Ома для цепей постоянного тока»…………………………………………………………………………….50

Лабораторная работа № 000 «Электронный осциллограф»………………56

Лабораторная работа № 000 «Изучение характеристик полупроводникового диода и транзистора»………………………………………………………….62

Лабораторная работа № 000 «Определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли с помощью тангенс-буссоли»……………………...68

Лабораторная работа № 000 «Изучение ферромагнетиков»……………...73

Лабораторная работа № 000 «Изучение магнитного поля соленоида»….78

Лабораторная работа № 000 «Измерение индуктивности соленоидов»....84

Введение к лабораторным работам № 000 и 260...……………………….91

Лабораторная работа № 000 «Изучение вынужденных электрических колебаний»……………………………………………………………………...96

Лабораторная работа № 000 «Изучение затухающих электрических колебаний»……………………………………………………………………..99

ий•444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444444Инструкция по технике безопасности при работе в лаборатории по электричеству.

  Данная инструкция обязательна при выполнении работ в лабораториях кафедры физики МИИГАиК.

  До начала работы студент обязан изучить схему и порядок выполнения работы, а также правила или указания по технике безопасности при выполнении конкретной лабораторной работы.

Перед началом работы студент знакомится с рабочим местом, проверяет наличие приборов, оборудования, получает у лаборанта недостающие приборы. Сообщает преподавателю о готовности выполнять работу.

Студентам запрещается переносить приборы с одного рабочего места на другое, производить вскрытие, порчу приборов и оборудования.

После того как преподаватель (или лаборант) проверит теоретические знания студента, правильность собранной схемы и даст разрешение к началу работы, студент может приступать к выполнению, пользуясь инструкциями к конкретной лабораторной работе.

Во время выполнения нельзя оставлять без внимания включенную схему. Любые изменения в схему вносятся только при выключенном источнике!

После выполнения работы сначала отключают источник питания, а затем разбирают схему (в лабораторных работах по магнетизму схемы не разбирают).

В лабораториях применяются два вида источников – 12 В и 220 В. Внимательно читайте инструкцию к лабораторной работе, поскольку включение схемы, рассчитанной на 12 В в источник 220 В, может привести к пробою схемы.

Несмотря на низкое напряжение источника 12 В, относиться к нему следует также серьезно, как и к обычному источнику напряжения. То есть помнить основные правила – не дотрагиваться мокрыми руками, не помещать внутрь посторонних предметов, не накрывать одеждой, сумками и т. д.

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика требований к работе в лаборатории по электричеству

Лабораторные работы помогают студентам глубже изучить основные физические закономерности, овладеть навыками экспериментирования и различными методами физических исследований, ознакомиться с измерительной аппаратурой и приборами.

Выполнение каждой лабораторной работы предусматривает:

1)Теоретическую подготовку; 2) ознакомление с приборами, необходимыми для проведения измерений в данной работе; 3)сдачу допуска к данной лабораторной работе; 4) наблюдения и измерения; 5) обработку результатов измерения; 6) сдачу зачёта по лабораторной работе.

Теоретическая подготовка состоит в ознакомлении с описаниями работы, проработке соответствующих разделов учебника и подготовке ответов на контрольные вопросы. Она проводится до выполнения лабораторной работы, так как время, отведённое на работу в лаборатории, предназначено только на сборку установки, проведение и обработку измерений. Ознакомление с приборами и принадлежностями происходит на рабочем месте. Некоторые приборы находятся у лаборанта и выдаются на время работы.

Перед выполнением каждой лабораторной работы преподаватель, ведущий данное занятие, проверяет знание студентом основных физических законов и явлений, рассматриваемых в данной работе; умение объяснить схему установки и последовательность измерений; способность указать измеряемые величины и соответствующие измерительные приборы; знание и умение пользоваться основными расчётными формулами. После этого студент считается допущенным к выполнению лабораторной работы.

Наблюдения и измерения являются наиболее ответственным этапом работы и требуют должного внимания и аккуратности при снятии отсчётов и записи измерений. Обработка результатов измерений заключается в проведении необходимых вычислений и оценке погрешности в полученном результате.

Сдача зачёта по выполненной работе предусматривает предъявление студентом полностью оформленной работы, умение объяснить полученные результаты и знание теоретического материала, связанного с данной работой.

Оформление отчёта о выполнении проделанной работы

Все записи, связанные с выполнением лабораторных работ, необходимо вести в специальном журнале или тетради.

По каждой лабораторной работе в журнале должно быть записано:

  Наименование работы.

  Краткое описание используемого в данной работе метода с необходимыми схемами и формулами, перечень приборов.

  Таблицы записи результатов измерений.

  Расчётная формула с пояснением физического смысла всех входящих в неё величин.

  Математическая обработка проведённых измерений для оценки погрешности полученных результатов.

  Графики.

  Вывод по результатам работы.

Выполнение всех работ связано со сборкой электрических схем. Каждая схема содержит: 1) источник тока; 2) электроизмерительные приборы; 3) вспомогательные приборы и принадлежности; 4) соединительные провода.

Источник тока. При выполнении работ приходится пользоваться источниками постоянного и переменного тока. Источниками постоянного тока могут быть аккумуляторы и элементы, или выпрямители, от которых ток подаётся к щиткам, находящимся у каждого рабочего стола. Источником переменного тока служит сеть, от которой ток поступает к рабочим столам через щитки или розетки.

Для пользования постоянным или переменным током на щитках имеются соответствующие клеммы и к ним выключатели. Клеммы постоянного тока отмечены знаками «+» и «-», а клеммы переменного тока – синусоидой с указанием напряжения, например ~220В.

Электроизмерительные приборы. По принципу действия электроизмерительные приборы разделяются на четыре наиболее употребляемые системы:

а) магнитоэлектрические, действие которых основано на повороте рамки с током в поле постоянного магнита;

б) электродинамические, отличающиеся от магнитоэлектрических заменой постоянного магнита катушкой с током;

в) электромагнитные, основанные на явлении втягивания магнитного сердечника внутрь соленоида;

г) тепловые, основанные на явлении удлинения проволоки, нагреваемой током.

Краткая таблица условных обозначений на электроизмерительных приборах

К вспомогательным приборам и принадлежностям относятся ключи, переключатели, потенциометры, реостаты и магазины сопротивлений, конденсаторы и т. д.

Соединительные провода должны быть изолированы. Концы проводов снабжены специальными наконечниками для обеспечения хорошего контакта.

Правила сборки схем и работа с ними.

1. Контакты должны быть всюду плотные. Концы проводов либо вставляются в отверстия клемм и прижимаются сверху винтами, либо загибаются и подкладываются под клемму по ходу завинчивания.

2. Источники тока подключаются в последнюю очередь. При разборке схемы прежде всего отключается источник тока.

3. «Плюс» источника всегда соединяется с «плюсом» прибора, а «земля» - с «землей».

4. Перед включением собранной схемы или стенда, все реостаты устанавливаются на максимум сопротивления, а потенциометры – на ноль подаваемого в контур напряжения.

5. Все ключи и коммутаторы при сборке цепи должны быть разомкнуты. Ток включается только на время непосредственной работы с прибором.

Для соблюдения техники безопасности при работе с электрическими схемами обязательно выполнение следующих требований:

1. Не подключать к собранной схеме источники тока до проверки её преподавателем или лаборантом

2. Не производить подключение цепей, находящихся под напряжением. Не прикасаться к неизолированным частям цепей.

3. Не оставлять без присмотра включённые схемы и стенды.

Лабораторная работа № 000а

ОЗНАКОМЛЕНИЕ С ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫМИ ПРИБОРАМИ.

Целью работы является ознакомление с электроизмерительными приборами, составление спецификации электроизмерительных приборов с помощью тех условных обозначений, которые указаны на шкале прибора, а так же определение погрешности электроизмерительных приборов по их классу точности. Это составляет содержание первой части работы. Во второй части предлагается изучить различные схемы включения переменного сопротивления.

Составление спецификации электроизмерительных приборов.

Изучив электроизмерительные приборы, находящиеся на рабочем месте, заполняют таблицу 1.

Спецификация Таблица 1.(пример заполнения таблицы)

№ п/п	Наименование прибора	Система	Пределы измерений	Цена деления	Класс точности
В делен-иях	В едени - цах из-мерения
1	2	4	5	6	7	8
1	Вольтметр Тип М45М	Магни-тоэле-ктрич.	75 дел	30 В 15 В 7,5 В 3 В	… … … 0,04В	1,0

В случае многопредельных приборов нужно указать в таблице 1 значения всех пределов, а так же цену деления шкалы каждого предела.

Цена деления прибора равна измеряемой величине, соответствующей одному делению шкалы.

Цена деления шкалы прибора С рассчитывается по формуле:

, (1)

где - предел измерения, N – число делений.

Например, многопредельный амперметр обладает пределами для измерения тока 1А и 2А и имеет число делений, равное 100. Цена деления соответственно равна:

Определение погрешности электроизмерительных приборов.

а) Нахождение абсолютной погрешности электроизмерительных приборов.

Абсолютная погрешность электроизмерительных приборов определяется по классу точности приборов.

Класс точности «К» выражается в процентах и обозначается на шкале прибора соответствующей цифрой в кружке (или без него): 0,1; 0,2; 0,5;1,0; 1,5; 2,5 и 4.

Абсолютная погрешность электроизмерительных приборов определяется следующим образом:

(2)

Например, миллиамперметр 0,2 класса, шкала которого рассчитана на 75 мВ, имеет абсолютную погрешность

Если прибор многопредельный, то абсолютную погрешность требуется определить для каждого предела.

б) Нахождение относительной погрешности электроизмерительных приборов.

Относительную погрешность определяют по формуле:

, (2а)

где DА- абсолютная погрешность прибора, А – значение измеряемой величины (тока или напряжения).

Так как абсолютная погрешность одинакова по всей шкале данного прибора, то относительная погрешность будет зависеть от значений измеряемой величины и тем больше, чем эта величина меньше.

Например, вольтметром, класс точности которого К=1,0 с пределом измерения , измеряют два значения напряжения U1=0,5 В и U2=2,5В. Относительная погрешность соответственно равна:

Прежде чем приступить к описанию измерительной части работы необходимо указать на основные правила сборки электрических цепей.

1) Соединение используемых приборов следует производить так, чтобы избежать переплетения и скрещивания проводов.

2) Схема собирается без источника тока.

3) Если неизвестен порядок измеряемой величины, то приборы включаются на максимальный предел измерения.

4) Реостаты следует ставить на самое большое сопротивление. Движок потенциометра должен быть в таком положении, чтобы снимаемое с него напряжение равнялось нулю.

5) Целесообразно в первую очередь соединить все приборы, требующие последовательного включения, а затем основные приборы соединить параллельно.

6) Подключать схему к источнику напряжения без проверки преподавателем категорически запрещается.

7) После проверки схемы включить источник.

8) При разборке схемы в первую очередь отключают источник.

в) сейчас все чаще в работах применяются цифровые приборы, в которых результат измерения сразу виден на экране в виде цифр. Абсолютные погрешности таких приборов рассчитываются следующим образом:

,

где - нормирующее значение (предельное значение), - измеренное значение, коэффициенты c и d можно найти на корпусе прибора или в его паспорте, они выражаются в % , и записанные через косую черту (c/d) определяют класс точности цифрового прибора.

Но обычно применяют существенно более простой способ определения погрешности цифровых приборов. Наиболее существенное отличие цифровых приборов от аналоговых – это принципиально неустранимая ошибка дискрета, т. е. скачка показаний. Остальные ошибки заведомо меньше этой. Поэтому в качестве погрешности берут единицу в последнем регистре. Например, цифровой вольтметр показывает 10,22 В. Единица последнего разряда – 0,01 В. Следовательно, мы запишем значение, как (10,22 0,01) В.

Часть 2. Знакомство с элементами электрических цепей. Изучение потенциометра.

  Следует различать понятия: резистор и сопротивление.

Резистор – это элемент, обладающий сопротивлением, например, кусок проволоки, катушка, реостат. Любой участок электрической цепи имеет сопротивление.

Сопротивление- это физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению электрического тока. На электрических схемах обозначается буквой R.

Различают резистор с постоянным сопротивлением (рис.1а) и переменный резистор (рис.1б). Конструктивно переменный резистор может быть выполнен линейным или круговым.

Примечание: большинство ручек управления радиоприёмников, телевизоров и т. п. связано с переменным сопротивлением.

Реостат и потенциометр – это схемы включения переменного сопротивления.

Включение переменного сопротивления по схеме реостата показано на рис.2. Реостат служит для изменения силы тока в цепи. В схеме на рис.2 реостатом регулируется яркость лампы с сопротивлением RЛ .

Включение переменного сопротивления по схеме потенциометра показано на рис.3. Потенциометр служит для плавного регулирования напряжения на участке цепи. Он играет роль делителя напряжения (подробнее ниже).

Следует различать «вход» и «выход» потенциометра. Клеммы «А» и «В» являются входом потенциометра, клеммы «С» и «В» (или «С» и «А») - выходом. Источник тока присоединяется к потенциометру к клеммам «А» и «В». Регулируемое напряжение U снимается со скользящего контакта «С» и одной из нижних клемм, например «В» (или «А»), к которой присоединён источник. При таком включении напряжение может изменяться от нуля до максимального значения, определяемого ЭДС источника.

В данной работе используется переменное сопротивление линейного типа. Исследуется зависимость напряжения, снимаемого с потенциометра, от длины х введенной его части при различных сопротивлениях внешней цепи (сопротивление нагрузки) Rн. На рис.3: – ЭДС источника питания; Rп - сопротивление потенциометра; x – длина введенной части потенциометра; L – полная длина потенциометра;

Покажем, что потенциометр является идеальным делителем входного напряжения только если сопротивление нагрузки отсутствует (это соответствует случаю Rн =¥, так как при этом ток через него не идет) или много больше сопротивления введенной части потенциометра.

Рассмотрим рис.3 и рис.4. Пусть Rн нет и скользящий контакт «С» стоит посередине, т. е. х = L/2. Тогда сопротивление потенциометра Rп можно представить состоящим из двух равных частей: R1 и R2 ; Rп= R1+ R2. Очевидно, что напряжение U на этих сопротивлениях будет делиться пополам (см. рис.6), т. е. потенциометр будет идеальным делителем.

Теперь рассмотрим, как изменяется напряжение на выходе потенциометра при наличии Rн. Расчёт напряжения на этом сопротивлении можно выполнить двумя способами: с помощью законов Ома и с помощью правил Кирхгофа.

Рассмотрим первый способ. Напомним, что существует 3 вида записи закона Ома в зависимости от вида участка цепи постоянного тока. На рис.7 показаны три основных вида участков:

1. Участок, содержащий только сопротивление R, т. н. однородный участок - рис.7 а). Закон Ома для этого случая имеет вид:

I= (3)

2. Закон Ома для замкнутой (одноконтурной) цепи с источником тока рис.7 б):

I = или I(R+r) = (4)

3. Закон Ома для участка цепи, содержащей ЭДС и сопротивление R0=R+r, т. н. неоднородный участок - рис.7 в) имеет вид:

IR0 = j1- j3+, или (5)

Выражение (5) является наиболее общей формой закона Ома, из которой следуют два предыдущих случая.

Примечание. Участок на рис.7 в) выбран 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 . Если ЭДС направлена встречно току, текущему по данному участку, то в формуле (5) ее надо взять со знаком минус. За направление ЭДС принято направление от «-» к «+» (внутри ЭДС).

Рассмотрим конкретный пример расчета напряжения на нагрузке, показывающий как изменяется напряжение на выходе потенциометра при небольших величинах Rн .

Пример. Пусть х = L/2, Rп = 200 Ом, тогда R1 = R2 = 100 Ом, =10 В, Rн=10 Ом. Для расчета напряжения на нагрузке Uн воспользуемся схемой на рис.4. Чтобы можно было использовать закон Ома в виде (4) надо преобразовать схему на рис.4 к одноконтурной. Для этого необходимо заменить параллельно соединенные сопротивления R2 и Rн одним, общим - Ro. По формуле 1/Ro=1/R2+1/Rн, подставив численные значения, найдём Ro»9,1 Ом.

Внимание! Для самоконтроля: общее сопротивление двух параллельно соединенных сопротивлений должно быть меньше меньшего.

Далее, по формуле (4) найдем ток в контуре состоящем из источника тока с э. д.с. и сопротивлений R1 и Ro : I= /( R1 + Ro)= 10/ (100+9,1)= 0,09 А.

Теперь найдём напряжение на нагрузке Uн : Uн= I× Ro= 0,09×9,1= 0,82 В.

Обратите внимание: после подключения к потенциометру Rн=10 Ом напряжение на выходе потенциометра уменьшилось более чем в 5 раз.

Вывод: Чем меньше сопротивление нагрузки Rн (шунтирующее выходное сопротивление потенциометра), тем меньше напряжение на нагрузке. Характеристика потенциометра (зависимость выходного напряжения от длины x введенной части потенциометра) становится нелинейной. Нелинейность тем больше, чем меньше Rн.

Второй способ определения напряжения на Rн заключается в применении правил Кирхгофа. Это не сложная задача. Начало её решения показано на рис.5. Необходимо выбрать направления токов в ветвях и составить систему уравнений. Сделайте это самостоятельно. Соответствующий теоретический материал по правилам Кирхгофа можно найти в лаб. работе № 000 или в учебнике .

Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений

Лабораторная работа расположена на специальном стенде.

1.Составить спецификацию для электроизмерительного прибора (вольтметра), заполнив таблицу 1.

2. Для вольтметра рассчитать по формуле (2) абсолютную погрешность.

3. Электрическая схема установки показана на рис.8. Собрать цепь согласно рис.8.

Таблица 2

	Rн = Rv	Rн=( Rv||R1) R1»800 Ом	Rн=( Rv|| R2) R2» 30 Ом
N	Uн(B)	х(cм)	Uн(B)	х(cм)	Uн(B)	х(cм)
1 2 3 . . .

На схеме: – э. д.с. источника тока, Rп – сопротивление потенциометра; Rн – сопротивление нагрузки, К – ключ, V – вольтметр (его сопротивление Rv). Запишите величину сопротивления потенциометра.

После включения схемы может оказаться так, что нулевому показанию вольтметра соответствует максимальное отклонение движка потенциометра (или наоборот). В этом случае нужно поменять местами провода в точках А и В или выполнить другие коммутации.

Последовательность действий при выполнении работы такова:

1. Сначала к выходу потенциометра (к клеммам В и С) присоединяют только вольтметр. Изменяя положение движка потенциометра, снять несколько значений напряжения при разных х (точек Напряжение U между клеммами В и С измеряют с помощью вольтметра.

Совет: Удобнее, перемещая движок потенциометра, устанавливать на вольтметре целые значения в вольтах: 2; 4; 6,…. и записывать в таблицу соответствующие им значения х.

2. Присоединяют к клеммам вольтметра (т. е. параллельно ему) наибольшее по величине сопротивление, имеющееся на вашем стенде (R1»800-900 Ом), и

выполнить действия аналогичные п.1 (изменять показания вольтметра и записывать соответствующие х).

3. Отсоединить сопротивление R1 и присоединить к вольтметру другое сопротивление R2 »30 Ом. Выполнить действия аналогичные п.1.

4. Построить на одном графике, (рис.9, длину осей выбрать не менее 10-12см) зависимости Uн = f(х) для трех сопротивлений нагрузки: Rv , R1 , R2.

Экспериментальные точки для каждой серии обведите специальным символом, например, кружком, треугольником, квадратом и т. п.

Контрольные вопросы:

  Предел измерения вольтметра 100 В, класс точности равен 2. Чему равна относительная погрешность при измерении этим вольтметром напряжения 30 В?

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

  Объясните, почему полученные экспериментально графики для Rн = Rv и Rн=R1 почти совпадают? Можно ли оценить величину сопротивления вольтметра?

  В схеме на рис.2: Е=10 В, сопротивление реостата равно 100 Ом, лампы - 2 Ом. В каких пределах будет изменятся ток в контуре при изменении сопротивления реостата от 0 до 100 Ом?

  В схеме на рис.5: =10 В, R1 = R2 = 20 Ом, Rн = 10 Ом. Найдите напряжение на нагрузке с помощью правил Кирхгофа.

  Литература

1. Трофимова физики (любое издание).

2. Савельев общей физики, т.2 (любое издание).

3. Скорохватов лекций по электромагнетизму.-М.,МИИГАиК, 2006.

Лабораторная работа № 000 б.

Определение удельного сопротивления проводника

Приборы и принадлежности: лабораторная установка с укрепленной на ней проволокой, вольтметром, амперметром и линейкой.

Цель работы: ознакомление с электроизмерительными приборами, определение удельного сопротивления нихромовой проволоки.

Краткая теория:

1. Составление спецификации электроизмерительных приборов.

Изучив электроизмерительные приборы, находящиеся на рабочем месте, заполняют таблицу 1.