ЕН.Ф. 03 ФИЗИКА
ЕН.Ф. 03 ФИЗИКА И БИОФИЗИКА
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ
по курсу физики с использованием лабораторного комплекса
«Электричество и магнетизм»
Часть 1 Устройство лабораторного комплекса и описания блоков
Уфа 2010
УДК 539
ББК 22.38
Л 12
Рекомендовано к изданию методической комиссией факультета электрификации и автоматизации сельского хозяйства (протокол № ____ от «____» ______________2010 г.)
Уральский филиал ФГУП РНПО «Росучприбор»
Ответственный за выпуск: зав. кафедрой физики, доцент Юмагужин Р.Ю.
Методические рекомендации для использования лабораторного комплекса «Электричество и магнетизм» предназначен для студентов обучающихся по инженерным специальностям.
Уфа-2010 г, БашГАУ, кафедра физики.
ОГЛАВЛЕНИЕ
| ВВЕДЕНИЕ | ||
| 1 ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ В ЛАБРАТОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА | ||
| 2 ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС «ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ» | ||
| 2.1 Краткое описание комплекса | ||
| 2.2 Генератор сигналов специальной формы (ГССФ) | ||
| 2.3 Источники постоянного напряжения (ИПН) | ||
| 2.4 Наборное поле | ||
| 2.5 Блок мультиметров | ||
| 2.6 Блок моделирования полей | ||
| 3 Набор миниблоков | ||
| 3.1 Миниблок «Исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника» | ||
| 3.2 Миниблок «Ключ» | ||
| 3.3 Миниблок «Интегратор тока» | ||
| 3.4 Миниблок «Эффект Холла» | ||
| 3.5 Миниблок «Конденсатор» | ||
| 3.6 Миниблок «Сопротивление» | ||
| 3.7 Миниблок «Катушка» | ||
| 3.8 Миниблок «Точка Кюри» | ||
| 3.9 Миниблок «Магнетрон» | ||
| 3.10 Миниблок «Сопротивление проводника» | ||
| 3.11 Миниблок «Реостат» | ||
| 3.12 Миниблок «Ферромагнетик» | ||
| 3.13 Миниблок «Катушка со съемным сердечником» | ||
| 3.14 Миниблок «Туннельный диод» | ||
| 3.15 Миниблок «P-N переход» | ||
| 3.16 Миниблок «Сегнетоэлектрик» | ||
| 3.17 Миниблок «Соленоиды» | ||
| 4 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ | ||
| 5 ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ | ||
| 5.1 Построение графиков | ||
| 5.2 Графический анализ опытных данных | ||
| 6 ПРИЛОЖЕНИЕ | ||
| 6.1 Вывод расчетной формулы для определения e/m методом магнетрона | ||
| 6.2 Таблицы | ||
| Библиографический список |
ВВЕДЕНИЕ
Методическое пособие предназначено для студентов при самостоятельной подготовке к выполнению лабораторных работ и обработки результатов измерений. Даны описания установок, методов измерений, рекомендации по представлению и обработке результатов физического эксперимента. Внимание студентов обращается на физические основы и анализ условий эксперимента, извлечение из опыта информации о физических явлениях и их закономерностях. Приведены вопросы для контроля знаний при подготовке к работе.
ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ
В ЛАБРАТОРИИ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА
1 Перед сборкой электрической цепи проверьте, чтобы все приборы на рабочем столе были выключены.
2 При сборке цепи используйте провода с исправной изоляцией. Подключая приборы, проверяйте соблюдение норм нагрузки (рабочее напряжение конденсатора, максимальный ток для катушек индуктивности и т.п.).
3 Сборку электрической цепи ведите по контурам, начиная с основного (содержащего источник питания); мультиметр, образующий вспомогательный контур, подключайте в последнюю очередь.
4 Только после проверки цепи преподавателем можно включать источники питания.
5 Для проведения любых переключений в цепи необходимо отключить источник питания, чтобы избежать короткого замыкания участка цепи.
6 В подключенной к источнику напряжения цепи не касайтесь неизолированных металлических контактов.
7 Отключайте питание по окончании измерений.
8 Перед разборкой цепи проверьте, чтобы все приборы на рабочем столе были выключены.
2 ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС
«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ»
2.1 Краткое описание комплекса
Комплекс состоит из блока генераторов напряжений, наборного поля, блока мультиметров, блока моделирования полей, набора миниблоков и набора слабо проводящих пластин с электродами.
Общий вид блока генераторов напряжений показан на рисунке 1. Блок состоит из генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений (регулируемый источник постоянного напряжения и два нерегулируемых источника стабилизированного постоянного напряжения).
Рисунок 1 Блок генераторов напряжений:
1 – индикатор перегрузки генера-тора сигналов специальной формы;2 – индикатор перегрузки регули-руемого источника постоянного напряжения «0…+15 В»; 3 – индикатор перегрузки стабилизированного напряжения «+15 В»; 4 – индикаторы перегрузки стабилизированного напряжения «–15 В»; 5 – индикатор частоты; 6 – индикатор выбранной формы сигнала; 7 – выход синхронизации осциллографа (прямоугольные импульсы «+5 В»); 8 – кнопки переключения формы сигнала: 
– синусоидальная; 
– биполярные импульсы «–15 В…+15 В»; 
– униполярные импульсы «0…+15 В»; 9 – выходной сигнал генератора сигналов специальной формы; 10 – кнопки регулировки амплитуды сигнала генератора сигналов специальной формы; 11 – кнопки регулировки частоты от 50 Гц до 20000 Гц; 12 – регулируемое постоянное напряжение «0…+15 В», максимально допустимый ток 0,3 А; 13 – нулевой выход (земля); 14 – кнопки установки постоянного напряжения; 15 – индикатор постоянного напряжения на выходе регулируемого источника «0…+15 В» 16 – стабилизированное напряжение «+15 В», максимально допустимый ток 0,3 А; 17 – нулевой выход (земля); 18 – стабилизированное напряжение «–15 В», максимально допустимый ток 0,3 А; 19 – кнопка исходной установки блока генераторов: выходной сигнал источника постоянного напряжения (12) – 0 В; выходной сигнал генератора сигналов специальной формы – синусоидальный, частота 500 Гц, амплитуда выходного сигнала (9) 0 В; 20 – выключатель питания («сети»)
2.2 Генератор сигналов специальной формы (ГССФ)
Генератор (см. на рисунке 1) предназначен для получения сигнала частотой от 0,05 до 20 кГц различной формы и амплитуды. Генератор может выдавать три вида сигнала: синусоидальный (амплитуда –15...+15 В), биполярные импульсы (амплитуда –15…+15 В, ширина импульса равна половине периода), униполярные импульсы (0...+15 В, ширина импульса равна половине периода). Установку формы сигнала осуществляют кнопками 8. Частоту выходного сигнала (выход 9) регулируют кнопками 11, а амплитуду – кнопками 10. Значение частоты сигнала отображается на индикаторе 5. Для получения стабильного изображения сигнала на осциллографе в генераторе предусмотрены импульсы синхронизации (прямоугольные, заданной частоты, амплитудой +5 В, ширина импульса равна половине периода), которые можно снимать с выхода 7.
Генератор имеет защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 1. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение.
2.3 Источники постоянного напряжения (ИПН)
Источники постоянного напряжения (см. на рисунке 1) предназначены для получения стабилизированного постоянного напряжения –15 В, +15 В (необходимо для работы интегратора тока, вакуумной лампы и датчика Холла), и регулируемого постоянного напряжения 0...+15 В, которое регулируют кнопками 14.
Источники имеют защиту от перегрузки и индикаторы перегрузки 2, 3, 4. В случае срабатывания любого из индикаторов перегрузки необходимо выключить блок и выяснить причину срабатывания: проверить схему, уменьшить регулируемое напряжение.
Наборное поле
Наборное поле на рисунке 2. предназначено для сборки электрических схем. Линии на наборном поле показывают физически соединенные гнезда.
Рисунок 2 Наборное поле
1 – место для подключения миниблока «Ключ»; 2 – место для подключения миниблоков «Исследование температурной зависимости сопротивления проводника и полупроводника», «Эффект Холла», «Ферромагнетик», «Магнетрон»; 3 – место для подключения миниблока «Интегратор тока»; 4 – поле для подключения миниблоков.
2.5 Блок мультиметров
Блок мультиметров состоит из двух цифровых мультиметров с источниками питания и стрелочного вольтметра. Тумблер «Сеть» предназначен для включения мультиметров (подачи питания на мультиметры).
Мультиметр предназначен для измерения постоянного и переменного напряжений, постоянного и переменного токов, сопротивления, емкости и температуры. Общий вид мультиметра представлен на рисунке 3.
Рисунок 3 Общий вид мультиметра: 1 – дисплей; 2 – выключатель питания; 3 – гнездо для проверки транзисторов; 4 – переключатель режимов (рисунок 4); 5 – разъем для подключения термопары; 6 – разъем для подключения конденсатора; 7 – входы для измерения тока, напряжения, сопротивления (рисунок 5)
Рисунок 4 Переключатель режимов
Рисунок 5 Измерительные входы мультиметра:
10 А – вход для измерения тока до 10 А; mA – вход для измерения тока до 200 мА; COM – общий вход (земля); VW – вход для измерения напряжения и сопротивления
При использовании прибора необходимо соблюдать следующие правила:
1 Перед вращением переключателя режимов для выбора измеряемой величины отсоедините провода от схемы.
2 Если значение измеряемой величины не известно заранее, установите переключатель режимов в положение, соответствующее наибольшему значению.
3 Появление на дисплее цифры «1» указывает на то, что следует увеличить диапазон измерений.
4 Внимание! Если положение переключателя режимов не изменяют в течение 40 минут, мультиметр автоматически выключается. Для продолжения работы необходимо дважды нажать кнопку 2 (см. рисунок 3).
5 Измерение напряжения. Подсоедините один провод к входу COM (см. рисунок 5), второй к входу VW. Установите переключатель режимов (см. рисунок 4) в положение V 
(область I) для измерения постоянного напряжения или в положение V~ (область II) для измерения переменного напряжения с учетом требуемого диапазона измерений. Подсоедините провода к точкам электрической цепи, между которыми измеряется напряжение.
6 Диапазоны измерения переменного и постоянного напряжения U = 0,2; 2; 20; 200; 700 В. Погрешность измерений составляет 1,2 %.
7 Измерение тока. Подсоедините один провод к входу COM (см. рисунок 5), второй к входу mA (А) или 10 А (для измерения больших токов). Установите переключатель режимов в положение A для измерения постоянного тока (см. рисунок 4, область V) или в положение А~ для измерения переменного тока (см. рисунок 4, область IV) с учетом требуемого диапазона измерений. Подсоедините провода к точкам электрической цепи, между которыми измеряется ток.
8 Диапазоны измерения переменного тока I = 20; 200 мА; 10 А, постоянного тока I = 2; 20; 200 мА; 10 А. Погрешность измерений составляет 2 %.
9 Измерение сопротивления. Подсоедините один провод к входу COM (см. рисунок 5), второй к входу VW. Установите переключатель режимов в положение W (см. рисунок 4, область VI) с учетом требуемого диапазона измерений. Подсоедините провода к измеряемому сопротивлению.
10 иапазоны измерения сопротивлений R = 200 Ом; 2 кОм; 20 кОм; 200 кОм; 2 МОм; 20 МОм; 200 МОм. Погрешность измерений составляет 1 %.
11 Измерение емкости. Подсоедините переходник с «крокодилами» к разъему 6 (см. рисунок 3). Подсоедините к «крокодилам» измеряемую емкость. Установите переключатель режимов в положение Сx (см. рисунок 4, область III) с учетом требуемого диапазона измерений.
12 Диапазон измерения емкости C = 2; 20; 200 нФ; 2; 20 мкФ. Погрешность измерений – 5 %.
13 Измерение температуры. Установите переключатель режимов в положение °С(см. рисунок 4), при этом на дисплее будет показана температура окружающей среды. Вставьте провода от термопары в разъем 5 (см. рисунок 3), при этом следует соблюдать полярность подсоединения («+» провода к «+» прибора). Погрешность измерений – 2 %.
Стрелочный вольтметр показан на рисунке 6 предназначен для измерения постоянного напряжения «0…±15 В» и имеет входы «+» и «-» для подачи измеряемого напряжения.
Рисунок 6
Вольтметр: 1 – шкала измерений; 2 – входы измеряемого напряжения