Практикум по физике (стр. 16 )

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

2700 103,22 2800 107,85

2900 112,51 3000 117,24

3100 121,95 3200 126,76

3300 131,60 3400 136,49

3500 141,42 3600 146,40

3655 149,15

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