Для выполнения лабораторной работы №6




Задания и методические указания

по дисциплине «Физика»

 

для студентов всех форм обучения

направлений подготовки

09.03.02 Информационные системы и технологии

09.03.03 Прикладная информатика в экономике

13.03.02 Электроэнергетика и электротехника

44.03.04 Профессиональное обучение (по отраслям)

 

Екатеринбург

РГППУ


 

Задания и методические указания для выполнения лабораторной работы №6 по дисциплине «Физика». Екатеринбург, ФГАОУ ВО «Рос. гос. проф.-пед. ун-т», 2016. 20 с.

 

Составители: доц., канд. физ.-мат.наук Л.В.Гулин, доц., канд. физ.-мат.наук С.В. Анахов  

 

 

Одобрены на заседании кафедры физико-математических дисциплин. Протокол от 29.11.2015 г. № 3.

 

Заведующий кафедрой физико-математических

дисциплин С.В. Анахов

 

Рекомендованы к печати методической комиссией института психолого-педагогического образования. Протокол от 24.12. 2015 г. №4.

 

Председатель методической комиссии

Института ППО В.В. Пузырев

 

Зам. директора НБ Е.Н. Билева

 

© ФГАОУ ВО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2016

© Гулин Л.В., 2016

© Анахов С.В., 2016


 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

« ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫИСТОЧНИКА ТОКА

ПРИ ПОМОЩИ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ »

 

 

1.ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

 

Электрический ток – направленное движение электрических зарядов. Понятия «электрический ток» и «ток» в этой работе рассматриваются как синонимы.

Кулоновские силы – консервативные силы, действующие на электрические заряды в электростатическом поле. Кулоновские силы, действуя на два разноименных заряда, притягивают их друг к другу.

Разность потенциалов(φ 1- φ 2) – скалярная физическая величина, равная отношению работы кулоновских сил по перемещению электрического заряда из одной точки пространства в другую к величине заряда (q):

(1)

Сторонние силы – неконсервативные силы, которые, действуя на два разноименных заряда, отталкивают их друг от друга.

Источник тока – устройство, в котором происходят процессы разделения разноименных электрических зарядов под действием сторонних сил и преобразования какого-либо вида энергии в электрическую энергию. Наличие электрической энергии делает возможным существование тока. В данной работе рассматривается источник постоянного тока, который на электрических схемах изображается, как показано на рис. 1.

Источник тока имеет два полюса: положительный (+) и отрицательный (-), которые, соединяются с клеммами 2 и 1, соответственно. Сторонние силы, действуя на заряды внутри источника тока, как показано на рис. 2, перемещают положительные заряды к положительному полюсу источника тока, а отрицательные – к отрицательному.

Электродвижущая сила (ЭДС) источника тока (Е 12) – скалярная физическая величина, равная отношению работы сторонних сил по перемещению электрического заряда между полюсами источника тока к величине заряда:

 

(2)

Напряжение (U 12) – скалярная физическая величина, равная отношению суммарной работы кулоновских и сторонних сил по перемещению электрического заряда между двумя точками электрической цепи к величине заряда:

(3)

Из соотношений 1÷3 следует:

 

(4)

 

Закон Ома устанавливает связь между напряжением, силой тока (I) и сопротивлением (R 12 ):

 

(5)

 

В системе СИ разность потенциалов, ЭДС и напряжение измеряются в вольтах (В). Известно также, что в системе СИ единицами измерения работы, заряда, силы тока и сопротивления являются: [ A ] = Дж, [ q ] = Кл, [ I ] = А и [ R ] = Ом. С учетом этого, а также соотношений (1)÷(3) и (5) получаем:

 

(6)

Полная (или замкнутая) цепь состоит из источника тока и подключенного к нему внешнего сопротивления. Схема такой цепи изображена на рис. 3. Внешнее сопротивление на этом рисунке обозначено как R. Ток, протекая по замкнутой цепи, встречает внутри источника тока внутреннее сопротивление, которое на рис.4 обозначено как r. Сопротивления R и r соединены последовательно. Если обозначить , то из соотношения (5) следует:

(7)
   

Рис. 3. Схема полной (замкнутой) цепи Рис. 4. Внутреннее сопротивление источника тока

 

С другой стороны, согласно (4) , поэтому

 

(8)

 

Поделив обе части этого уравнения на сумму сопротивлений, получим закон Ома для полной цепи:

 

(9)

 

Рис. 5. Графическая иллюстрация закона Омадля полной цепи

Если ЭДС источника тока и его внутреннее сопротивление постоянны, то с увеличением внешнего сопротивления сила тока будет уменьшаться, как показано на рис.5. График, изображенный на этом рисунке, имеет две асимптоты: вертикальную, при приближении к которой сила тока стремится к бесконечности, и горизонтальную, при приближении к которой сила тока стремится к нулю. Очевидно, что участок графика левее оси ординат не имеет физического смысла, так как сопротивление не может быть отрицательным. Сила тока при R = 0 обозначена как I к.з. и представляет собой «ток короткого замыкания»:

(10)

Внешнее сопротивление, подключенное между клеммами 1 и 2 на рис.3, может представлять собой комбинацию сопротивлений, соединенных либо последовательно, либо параллельно, либо смешанно.

Последовательное соединение сопротивлений – это такое соединение нескольких сопротивлений, при котором через каждое из них проходит одинаковый ток.

Параллельное соединение сопротивлений – это такое соединение нескольких сопротивлений, при котором каждое из них находятся под одним и тем же напряжением.

Примеры различных типов соединения сопротивлений представлены на рис. 6.

а) последовательное б) параллельное в) смешанное

 

Рис. 6. Типы соединений сопротивлений

При расчетах электрических цепей возникает задача о замене комбинации сопротивлений эквивалентным сопротивлением R экв.

При последовательном соединении N сопротивлений (рис. 6а) через каждое из них течет один и тот же ток. Напряжение Udf равно сумме напряжений на каждом сопротивлении:

(12)

Слагаемые суммы (12) равны Uj = IRj. С учетом этого получим:

(13)

 

Таким образом, при последовательном соединении N сопротивлений эквивалентное сопротивление равно сумме сопротивлений:

(14)

При параллельном соединении N сопротивлений (рис. 6б) напряжение на каждом из них одинаково и равно Udf. Ток, протекающий через эквивалентное сопротивление Rdf равен сумме токов, протекающих через отдельные сопротивления:

(15)

 

Слагаемые суммы (15), в соответствии с законом Ома (5), равны:

(16)

С учетом этого получим:

(17)

 

Отсюда следует, что при параллельном соединении N сопротивлений

(18)

Для расчета эквивалентного сопротивления при смешанном соединении следует применять для отдельных участков, либо формулу (14), либо – (17). Рассмотрим это на примере схемы, изображенной на рис. 6в. Сопротивления R 1 и R 2 на участке соединены последовательно. Эквивалентное сопротивление этого участка равно:

 

Rdh = R 1+ R 2.   (19)

Сопротивления R 3 и R 4 на участке соединены параллельно. Эквивалентное сопротивление этого участка равно:

(20)

 

В свою очередь, сопротивления Rdh и Rhf соединены последовательно. В итоге получим:

(21)

 

 

2.МЕТОДЫИЗМЕРЕНИЯ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА

При необходимости измерения ЭДС источника тока, на память приходит то, что она измеряется в вольтах, в связи с чем, возникает идея подключить вольтметр к полюсам источника тока и показания вольтметра считать искомой ЭДС. Однако вольтметр, подключенный к двум клеммам, всегда измеряет разность потенциалов между ними. При подключении вольтметра к полюсам источника тока через вольтметр и источник тока потечет ток I в и эта разность, в соответствии с (4) и (5), будет равна:

 

(22)

 

Отсюда следует, что в этом случае ЭДС может быть равна (по модулю) разности потенциалов лишь с точностью до произведения I в r. Для точного измерения ЭДС источника тока применяют специальные методы, среди которых можно выделить компенсационный метод и метод, основанный на использовании закона Ома для полной цепи.

Рис. 7. Схема лабораторнойустановки

 

Рассмотрим последний метод подробнее. Пусть к источнику тока подключено внешнее сопротивление R m. В этом случае (см. рис. 7) по цепи потечет ток I m, для измерения которого используется амперметр, обладающий сопротивлением r А. Если внешнее сопротивление заменить на R k, то ток станет равным I k. В соответствии с законом Ома для полной цепи

(23)

 

(24)

Из (23) следует, что

(25)

а из (24) следует, что

(26)

Левые части уравнений (25) и (26) равны. Если приравнять друг к другу их правые части, то получим:

(27)

Умножив обе части этого уравнения на I m I k, получим:

(29)

 

Перенося EI m влево, а R m I m I k – вправо

(30)

 

получим основную расчетную формулу для данной лабораторной работы:

(31)

 

3.ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

Лабораторная работа состоит из трех этапов: составление черновика отчета по лабораторной работе, составление отчета, защита отчета.

Этап составления черновика выполняется в лаборатории и включает в себя:

3.1.Составление перечня приборов и их характеристик.

3.1.Сборку электрической схемы, изображенной на рис. 7.

3.1.Проведение измерений (снятие зависимости силы тока от внешнего сопротивления).

3.1.Расчет ЭДС.

Перечень приборов, используемых в лабораторной работе, может быть различным в разных лабораториях. Ниже приводится пример одного из возможных перечней.

1.Цифровой мультиметрM890D с пределами измерения тока от 0 до 200 мА. Класс точности – 0,25.

2.Набор одинаковых сопротивлений (далее указывается их тип, номинальное сопротивление и их количество). Например: четыре одинаковых сопротивления типа ПЭВ по 100 Ом каждое.

3.Исследуемый источник тока – 2 батареи типа R20 по 1,5 В.

Проведение измерений предполагает комбинирование соединений четырех вышеуказанных сопротивлений с тем, чтобы получить значения R, указанные в табл.1. В частности, 250 Ом можно получить, соединив сопротивления, как показано на рис 6в. В результате проведения измерений должен быть заполнен последний столбец табл. 1.

 

Таблица 1. Результаты измерения силы тока

Номер по порядку (m) Номер по порядку (k) R, Ом I, мА
       
       
       
       
       
       
       
       

После заполнения последнего столбца табл. 1 строится график зависимости I (R), а затем заполняется табл. 2.

 

Таблица 2. Результаты расчета ЭДС

Номер по порядку(i) m k Ei < E >- Ei (< E >- Ei)22
  Задается преподавателем        
         
         
         
         

 

Заполнение табл. 2 производится следующим образом:

а) после того как преподавателем задано значение индекса m, это значение вписывается во второй столбец табл. 2;

б) в табл. 1 выбирается строка, номер которой равен заданному значению индекса m;

в) в этой же таблице выбираются строки, номера которых отличаются от индекса m не менее чем на два;

г) номера этих строк представляют собой значения индекса k, которые следует занести в третий столбец табл. 2.

После этого рассчитываются по формуле (31) значения ЭДС и заносятся в четвертый столбец табл. 2. При расчетах значения токов следует выражать в Амперах, а значения сопротивлений – в Омах. Дальнейшее заполнение таблицы требует вычисления среднего значения ЭДС, отклонения от среднего и “квадрата” этого отклонения. Эти вычисления выполняются студентом самостоятельно во внеаудиторное время.

Черновик заполняется каждым студентом индивидуально. В нем указываются фамилия студента, его группа и название работы. Черновик обязательно подписывается преподавателем или лаборантом.

Отчет по лабораторной работе выполняется студентом самостоятельно во внеаудиторное время и включает в себя название лабораторной работы, ее цель, ФИО студента и обозначение его группы, а также следующие разделы:

ОСНОВНАЯ РАСЧЕТНАЯ ФОРМУЛА;

ФОРМУЛЫДЛЯ РАСЧЕТА ПОГРЕШНОСТЕЙ;

СХЕМА ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ;

ПЕРЕЧЕНЬ ПРИБОРОВ И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ;

РЕЗУЛЬТАТЫИЗМЕРЕНИЙ;

РЕЗУЛЬТАТЫРАСЧЕТОВ;

ЗАПИСЬ РЕЗУЛЬТАТА ИЗМЕРЕНИЙ;

ВЫВОДЫ.

 

Основной расчетной формулой является формула (31). Она переписывается в отчет и все величины, входящие в нее, расшифровываются с указанием их единиц измерения. Разделы 3÷5 переписываются из черновика.

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: