close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

mu elektrichmagnet 2015

код для вставкиСкачать
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна»
М. Ю. Савельева
ФИЗИКА
Электричество и магнетизм
Лабораторные работы
Методические указания
Для студентов, обучающихся по направлению
15.03.02 Технологические машины и оборудование
профиль Полиграфические машины
и автоматизированные комплексы
Санкт-Петербург
Санкт-Петербургский государственный университет
технологии и дизайна
2015
УДК 530.1
ББК 22.3
Издание рекомендовано к публикации
на заседании кафедры
протокол № 7 от 10.02.2014
Утверждено Редакционно-издательским советом СПГУТД
в качестве методических указаний
Савельева М. Ю.
Физика. Электричество и магнетизм. Лабораторные работы:
метод. указ. – СПб.: СПГУТД, 2015. – 36 с.
УДК 530.1
ББК 22.3
Учебное издание соответствует содержанию дисциплины Б1.Б.11
«Физика» направления подготовки 15.03.02 Технологические машины
и оборудование, профиль «Полиграфические машины и автоматизированные комплексы».
Электронное учебное издание зарегистрировано
СПГУТД СЗИП
№ 67 от 02.07.2015
© СПГУТД, 20153
СОДЕРЖАНИЕ
Введение. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
Рекомендации по организациисамостоятельной работы студентов . . 6
Лабораторная работа № 1
Определение электрической емкости конденсатора методом
суммирования зарядов, стекающих с его обкладок . . . . . . . . . . . . 8
Лабораторная работа № 2
Измерение электрического тока и разности потенциалов. Закон
Ома для однородного участка цепи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Лабораторная работа № 3
Определение удельного сопротивления
однородного проводника. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
Лабораторная работа № 4
Определение внутреннего сопротивления и ЭДС
источника постоянного тока. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Лабораторная работа № 5
Последовательное и параллельное соединение сопротивлений. 29
Список рекомендуемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
ВВЕДЕНИЕ
Курс физики относится к циклу математических и естественнонаучных дисциплин. Предметом физики является изучение простейших
и вместе с тем наиболее общих закономерностей явлений природы,
свойств и строений материи и законов ее движения. Физика дает естественнонаучную картину мира, относится к точным наукам и изучает
количественные закономерности явлений. «Физические представления
о мире составляют сейчас главную часть истинной культуры нашей
эпохи» (Р. Фейнман).
Курс физики основывается на знаниях, полученных студентами при
изучении дисциплин «Математика», «Информатика».
Целью преподавания дисциплины «Физика» является формирование
компетенции обучающегося в области законов и явлений общей физики,
ознакомление с методами физических исследований, выработка умений
и навыков в проведении лабораторного эксперимента, подготовка студентов к изучению естественнонаучных и специальных дисциплин.
В результате изучения материала данной дисциплины студент должен уметь:
– выявлять физические явления, лежащие в основе технологических
процессов;
– производить измерения физических величин с помощью различных методик и средств исследования, в различных устройствах и
технологических процессах производства книг, газет, журналов, рекламы,
упаковки и товаров народного потребления;
– применять методы обработки результатов измерения различных
физических величин.
К концу курса студент должен знать основные законы физики,
основные физические величины и единицы их измерения, физические
принципы, лежащие в основе действия современных приборов, аппаратов, машин и комплексов, средств измерения и контроля, применяемых
в полиграфическом и упаковочном производствах, методы обработки
результатов физического эксперимента.
В результате освоения данной дисциплины студент должен владеть:
основными методами измерения физических величин; навыками физических расчетов, применяющихся в профессиональной деятельности;
методами и средствами обработки результатов измерения; навыками
решения физических задач; методами количественного анализа и моделирования, теоретического и экспериментального исследования.
Данное учебно-методическое пособие содержит методические
указания для проведения лабораторных работ в рамках изучения
темы «Электрические заряды и электрический ток» учебного модуля
«Электричество и магнетизм».
4
Целью проведения лабораторных работ является ознакомление с
методами физических исследований, выработка умений и навыков в
проведении лабораторного эксперимента, изучение методов и средств
обработки результатов измерений, а также методов количественного
анализа и моделирования.
В ходе самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных
работ следует проанализировать изучаемое физическое явление, разобраться в устройстве лабораторной установки или макета, ознакомиться
с методикой проведения работы и обработки результатов измерений.
Перед началом выполнения лабораторных работ преподавателем проводится проверка теоретической готовности студентов к данной работе.
Отчеты по лабораторным работам следует выполнять в соответствии
с методическими указаниями к лабораторным работам. Отчет должен
содержать:
– название работы, ее цель;
– перечень приборов и оборудования;
– краткую теоретическую часть;
– порядок и методику выполнения работы;
– описание измерений;
– обработку результатов измерений;
– ответы на контрольные вопросы.
Сроки выполнения и защиты отчетов определяются преподавателем
в соответствии с календарным планом по дисциплине и доводятся до
сведения студентов.
Для закрепления учебного материала и подготовки студентов к текущим контрольным опросам, а также к экзаменам служат вопросы для
самопроверки.
Сроки выполнения и виды отчетности самостоятельной работы
определяются преподавателем и доводятся до сведения студентов.
5
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ОРГАНИЗАЦИИ
САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ
Самостоятельная работа является обязательной для каждого студента и направлена на закрепление и углубление знаний, полученных на
лекционных, практических и лабораторных занятиях. Самостоятельная
работа способствует развитию навыков самостоятельного мышления,
способности анализировать физические явления.
Данный вид работы предполагает расширение и закрепление знаний,
умений и навыков, усвоенных на аудиторных занятиях путем самостоятельной проработки учебно-методических материалов по дисциплине и
другим источникам информации, обработку результатов лабораторных
экспериментов и выполнение отчетов, а также подготовку к текущему
контролю знаний в форме опроса и экзамену. Самостоятельная работа
выполняется индивидуально, а также может проводиться под руководством (при участии) преподавателя.
В процессе самостоятельной работы рекомендуется руководствоваться программой по физике, конспектом лекций, рекомендуемыми
учебными пособиями. Изучение следует начинать с общего ознакомления с материалом, а затем работать с отдельными его частями, подробно
разбирая как качественную (описание физических явлений и факторов,
от которых они зависят, описание экспериментов и приборов и т. д.), так
и количественную сторону вопроса.
При проработке учебно-методических материалов по дисциплине следует обращать внимание на основные определения и положения
изучаемой темы, систематизировать усвоенный материал, при необходимости дополнять конспект лекций.
При подготовке к практическим и лабораторным работам следует
руководствоваться методическими указаниями и рекомендациями преподавателя, использовать конспект лекций и рекомендуемые учебные
пособия.
В ходе самостоятельной подготовки к выполнению лабораторных работ необходимо проанализировать изучаемое физическое явление, разобраться в устройстве лабораторной установки или макета, ознакомиться
с методикой проведения работы и обработки результатов измерений.
Перед началом выполнения лабораторных работ преподавателем проводится проверка теоретической готовности студентов к данной работе.
Отчеты по лабораторным работам следует выполнять в соответствии
с методическими указаниями к лабораторным работам. Отчет должен
содержать:
– название работы, ее цель;
– перечень приборов и оборудования;
– краткую теоретическую часть;
– порядок и методику выполнения работы;
– описание измерений;
– обработку результатов измерений;
– ответы на контрольные вопросы.
Систематическое решение задач помогает анализировать физические явления, способствует более глубокому пониманию применяемых
законов, закрепляет в памяти основные формулы, фундаментальные
константы и другие полезные данные, прививает навыки практического
применения теории и развивает творческое мышление.
При самостоятельном решении задач студентам целесообразно соблюдать следующие правила:
– выбирать систему единиц, которая наиболее удобна для решения
данной задачи, как правило СИ, выражая все величины, входящие в
условие задачи, в единицах данной системы;
– приводить схематический чертеж (при возможности);
– находить решение в общем виде, в буквенных обозначениях,
– проверять единицы измерения в рабочей формуле;
– подставив в окончательную формулу числовые значения, вычислять искомый результат и указывать его единицы измерения;
– при подсчете определять количество значащих цифр, пользуясь
правилами приближенных вычислений;
– получив числовой ответ, оценивать его правдоподобность.
Кроме решения задач при самостоятельной подготовке следует использовать тестовые задания, размещенные на сайте www.i-exam.ru.
Выполнение тестовых заданий и ответы на контрольные вопросы позволяют оценить уровень знаний по конкретной теме.
После изучения определенной темы, самостоятельного проработки лекционных материалов, выполнения достаточного количества соответствующих заданий на практических и лабораторных занятиях, а
также самостоятельного решения предложенных преподавателем задач,
студенту рекомендуется воспроизвести по памяти основные понятия и
определения, формулировки основных положений и законов.
Контроль со стороны преподавателя за самостоятельной работой
студентов осуществляется в форме защиты отчетов по лабораторным
и практическим работам, тестовых заданий, собеседования, а также в
ходе проведения промежуточного текущего контроля в виде опроса и
экзаменационной сессии.
Критериями оценки результатов самостоятельной работы студента
являются:
– уровень освоения студентом учебного материала;
– умения студента использовать теоретические знания при выполнении практических задач и лабораторных работ;
– обоснованность и четкость изложения ответа;
– своевременное оформление отчетов по лабораторным и практическим занятиям в соответствии с требованиями.
7
Лабораторная работа № 1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ
КОНДЕНСАТОРА МЕТОДОМ СУММИРОВАНИЯ ЗАРЯДОВ,
СТЕКАЮЩИХ С ЕГО ОБКЛАДОК
Цель работы. Изучение процесса разряда конденсатора, измерение
емкости конденсатора и постоянной времени цепи, приобретение навыков работы с электроизмерительными приборами.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Потенциал уединенного (удаленного от других тел) проводника пропорционален находящемуся на нем заряду. Коэффициент пропорциональности (C) между потенциалом () и зарядом (q) называется электроемкостью проводника
(1)
При приближении к заряженному проводнику других тел его емкость увеличивается. Это обусловлено тем, что под действием поля проводника заряды на поверхности поднесенного тела перераспределяются.
Заряды, противоположные по знаку заряду проводника, располагаются
ближе к проводнику, чем одноименные. Потенциал проводника, являющийся алгебраической суммой потенциалов собственных зарядов
и зарядов, индуцированных на других телах, уменьшается при приближении к нему других незаряженных тел, а его емкость, соответственно,
увеличивается.
Этот факт положен в основу устройств, называемых конденсаторами.
Конденсатор представляет собой два проводника, расположенных на
малом расстоянии друг от друга. Образующие конденсатор проводники
называют обкладками.
Обкладки конденсатора делают такой формы и таких размеров, чтобы
поле, создаваемое накапливающимися на них зарядами, было полностью сосредоточено внутри конденсатора. Этому условию удовлетворяют
две близко расположенные друг к другу пластинки, два коаксиальных
цилиндра, две концентрические сферы. Соответственно по форме обкладок конденсаторы бывают плоские, цилиндрические, сферические
(рис. 1).
Заряды, находящие на обкладках конденсатора, равны по величине и
противоположны по знаку. Под емкостью конденсатора понимают отношение заряда конденсатора к разности потенциалов между обкладками
,
где U – напряжение между обкладками конденсатора.
8
(2)
Рис. 1. Электрическое поле
в сферическом, плоском и цилиндрическом конденсаторах
Единицей емкости служит фарада (Ф). Это емкость такого конденсатора, у которого при заряде каждой обкладки в 1 Кл напряжение между
обкладками равно 1 В.
Рассмотрим процессы заряда и разряда конденсатора. Пусть конденсатор емкостью C включен в схему, представленную на рисунке 2,
где  – ЭДС источника, R – полное сопротивление цепи (включая и
внутреннее сопротивление источника).
Рис. 2. Схема заряда и разряда конденсатора
При установке переключателя в положение 1 конденсатор будет заряжаться от источника тока, в положение 2 – разряжаться. За направление
тока выберем направление движения положительно заряженных частиц
(от положительно заряженной обкладки конденсатора к отрицательно
заряженной).
Рассмотрим сначала процесс заряда конденсатора. Используя второе
правило Кирхгофа для замкнутого контура, получим
,
где i – мгновенное значение силы тока,
U – мгновенное значение напряжения на конденсаторе.
9
(3)
Сила тока равна величине заряда dq, прошедшего через сечение проводника за время dt:
.
(4)
Напряжение на обкладках конденсатора из формулы (2)
.
(5)
Из уравнений (3), (4), (5) для заряда на пластинах конденсатора получим следующее дифференциальное уравнение
.
(6)
Запишем уравнение (6) в следующем виде:
(7)
.
Решая данное уравнение, получим:
(8)
,
где А – постоянная интегрирования.
Из начальных условий (t0 = 0, q = 0) найдем постоянную А = – С.
Зависимость заряда на обкладках конденсатора от времени имеет
вид
.
(9)
Разделив обе части уравнения (9) на С, получим выражение для напряжения
.
(10)
Теперь рассмотрим процесс разряда конденсатора. В этом случае
исходные уравнения будут иметь вид
.
(11)
В выражение для тока входит знак минус, так как выбранное нами
положительное направление тока соответствует уменьшению заряда
конденсатора.
Используя уравнения (11), получим
.
10
(12)
Рис. 3. Зависимость заряда конденсатора от времени при заряде конденсатора
Рис. 4. Зависимость заряда конденсатора от времени
при разряде конденсатора
Рис. 5. Зависимость напряжения от времени при разряде конденсатора
Решением данного уравнения будет экспоненциальная функция
,
(13)
где q0 – заряд конденсатора в начальный момент времени.
Разделив обе части уравнения (13) на С, получим выражение зависимости напряжения на конденсаторе от времени:
11
(14)
.
Величина  = RC называется постоянной времени данного RC-контура
или временем релаксации. Она показывает, за какое время после выключения ЭДС напряжение уменьшится в e раз (рис. 5).
Для получения зависимости тока в цепи от времени разделим обе
части формулы (14) на R:
(15)
.
Интегрируя (4), можно рассчитать заряд на обкладках конденсатора:
.
(16)
В данной работе заряд на обкладках конденсатора рассчитывается
как сумма произведений мгновенных значений тока на временной шаг, с
которым производятся измерения этих значений. Затем, зная начальное
значение напряжения и суммарный заряд на обкладках конденсатора,
по формуле (2) рассчитывается его емкость.
ОБОРУДОВАНИЕ
Конденсатор емкостью от 400 до 4000 мкФ; резисторы с сопротивлением 1 кОм, 3 кОм, 5,1 кОм; источник питания постоянного тока
Б5-47 (ИППТ); ключ; соединительные провода; компьютерная система
измерений с датчиком напряжения.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую схему, как показано на рисунке 6, соединив источник питания (), ключ (K), конденсатор (C) и резистор (R).
Вместо вольтметра к контактам конденсатора подключить датчик напряжения.
K
R
C
V
Рис. 6. Электрическая схема
12
Внимание! Включение лабораторной установки без проверки преподавателем собранной схемы запрещено.
2. Подключить датчик напряжения плате сбора данных («Вход 1»).
3. Подключить плату сбора данных к USB разъему компьютера.
4. Включить компьютер и вызвать программу лабораторной работы
«Определение емкости конденсатора». Лицевая панель лабораторной
работы изображена на рисунке 7.
Внимание! Если при открытии программы появилось окно диалоговое
«Load Warning Summary», то необходимо выбрать пункт «Ignore».
Рис. 7. Лицевая панель компьютерной системы измерения
5. Источник питания постоянного тока (ИППТ) настроить на следующие параметры: напряжение питания – 8 В, ток – не более 1 А.
6. Подключить схему к ИППТ.
7. Включить ИППТ.
8. Указать на лицевой панели лабораторной работы номинал выбранной нагрузки (Ом).
9. Зарядить конденсатор, замкнув ключ на схеме, и запустить программу измерений, для этого:
9.1 Нажать на клавишу
9.2 Запустить лабораторную работу комбинацией клавиш:
CTRL+R.
10. Через 3-5 секунд разомкнуть ключ для разрядки конденсатора.
Обратить внимание, что при разрядке напряжение на обкладках конденсатора и сила тока в цепи нагрузки падают, а величина суммируемого
заряда увеличивается.
11. Программа измерений отключается автоматически при достижении уровня напряжения на обкладках конденсатора менее 0,1 В.
13
12. После ее завершения на цифровых индикаторах лицевой панели
отображаются вычисленная величина начального заряда конденсатора,
его емкость и время разрядки.
13. Занести полученные данные в таблицы 1 и 2.
14. Для сохранения построенного графика необходимо установить
курсор на графике, нажатием правой кнопки мыши открыть меню и выбрать пункт «Export», далее выбрать подпункт «Export Simplified Image»
и тип файла «*.bmp». Сохранить файл в личную папку.
15. Повторить эксперимент на резисторах с сопротивлением 1 кОм,
2 кОм, 5,1 кОм и занести данные в таблицы 1 и 2.
Таблица 1
№
опыта
1
2
3
Сопротивление
резистора, кОм
1
2
5,1
Заряд, Кл
Емкость
конденсатора, мкФ
Время разрядки, с
Таблица 2
№ опыта
Измеренные величины
t, c
U, В
16. Выключить ИППТ.
17. Отключить ИППТ от схемы.
18. Закрыть окно лабораторной работы «Определение емкости конденсатора».
Внимание! При появлении информационного окна с запросом сохранения изменений в файле лабораторной работы следует отказаться
от сохранения любых изменений. Любые изменения кода программы
могут нарушить ее штатную работу.
19. Ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные
выводы по проведенной работе.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. По формуле  = RC рассчитать постоянную времени для трех RCконтуров.
2. Построить на одном графике зависимости U(t) для каждой серии
измерений, приняв за t = 0 время начала разряда конденсатора. Указать
на графике для каждой зависимости U(t) соответствующее значение постоянной времени.
3. На графиках, сохраненных из программы лабораторной работы
«Определение емкости конденсатора», указать значение ординаты I/e
и по нему определить значение .
14
Сравнить значения постоянной времени , полученные в п. 1 и
п. 3.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. В каком случае два проводящих тела образуют конденсатор?
2. Что называется емкостью конденсатора?
3. Что такое постоянная времени цепи, содержащей конденсатор?
4. Выведите расчетную формулу, описывающую уменьшение напряжения на пластинах конденсатора при его разряде через активное
сопротивление.
5. Как зависит быстрота разряда конденсатора от его емкости и величины активного сопротивления, через которое производится разряд
конденсатора?
15
Лабораторная работа № 2
ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА
И РАЗНОСТИ ПОТЕНЦИАЛОВ.
ЗАКОН ОМА ДЛЯ ОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ
Цель работы. Экспериментальная проверка закона Ома для однородного участка цепи, расчет сопротивления реостата, приобретение
навыков работы с электроизмерительными приборами.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Упорядоченное движение зарядов под действием электрического
поля называется электрическим током. Количественной характеристикой тока служит сила тока, равная величине заряда, переносимого через
рассматриваемую поверхность в единицу времени:
(1)
Электрический ток может быть обусловлен движением как положительных, так и отрицательных носителей. Если в проводнике движутся
носители обоих знаков, при этом за время dt через сечение проводника
положительные носители переносят заряд dq+ в одном направлении, а
отрицательные заряд dq– в другом, то
(2)
где dq – абсолютная величина отрицательного заряда.
За направление силы тока принимают направление движения положительных зарядов. Единицей силы тока является ампер (А). При токе в
1 А через полное сечение проводника проходит заряд 1 Кл за время 1 с.
Ток, не меняющийся во времени, называется постоянным. Для постоянного тока справедливо соотношение
(3)
где q – заряд, переносимый через рассматриваемую поверхность за конечное время t.
Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи
должны действовать какие-либо силы, отличные от сил электростатического поля. Такие силы получили название сторонних сил.
Сторонние силы характеризуются работой, совершаемой над перемещающимися в цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил
над единичным положительным зарядом, называется электродвижущей
силой (ЭДС)
16
(4)
Участок цепи, на котором не действуют сторонние силы, называется
однородным. Для однородного участка цепи напряжение совпадает с
разностью потенциалов на концах участка:
(5)
В 1827 г. немецкий физик Георг Симон Ом, проведя серию точных
экспериментов, установил один из основных законов электрического
тока: сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику,
пропорциональна падению напряжения U на проводнике:
(6)
Величина R называется электрическим сопротивлением проводника. Единицей сопротивления служит ом (Ом), равный сопротивлению
такого проводника, в котором при напряжении в 1 В течет ток 1 А.
ОБОРУДОВАНИЕ
Источник постоянного тока с постоянным внутренним сопротивлением, реостат, соединительные провода, компьютерная система измерений с датчиками тока и напряжения.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую схему, как показано на рисунке 1, соединив
источник питания  и реостат R. Датчик тока включить последовательно
в цепь вместо амперметра, а к клеммам реостата вместо вольтметра подключить датчик напряжения.
V
A
R
Рис. 1. Электрическая схема
Внимание! Включение лабораторной установки без проверки преподавателем собранной схемы запрещено.
17
2. Подключить датчики к плате сбора данных: датчик тока подключить к разъему «Вход 1», датчик напряжения – к разъему «Вход 2».
3. Подключить плату сбора данных к USB разъему компьютера.
4. Включить компьютер и вызвать программу лабораторной работы «Закон Ома». Лицевая панель лабораторной работы изображена на
рисунке 2. Внимание! Если при открытии программы появилось окно
диалоговое «Load Warning Summary», то необходимо выбрать пункт
«Ignore».
Рис. 2. Лицевая панель компьютерной измерительной лаборатории
5. Установить ползунок реостата в среднее положение.
6. Запустить программу измерений, для этого запустить лабораторную
работу комбинацией клавиш CTRL+R.
7. Медленно вращая ручку регулятора выходного напряжения источника питания, увеличить напряжения от 0 до 6 В.
8. Перенести в таблицу 1 значения силы тока, проходящего через проводник, при заданных в таблице значениях прилагаемого напряжения.
Таблица 1
№ опыта
Измеренные и вычисленные величины
U, В
I, А
R, Ом
9. Остановить измерения, нажав кнопку «Стоп».
10. Вернуть ручку регулятора напряжения в исходное состояние.
18
11. Для сохранения построенного графика необходимо установить
курсор на графике, нажатием правой кнопки мыши открыть меню и выбрать пункт «Export», далее выбрать подпункт «Export Simplified Image»
и тип файла «*.bmp». Сохранить файл в личную папку.
12. Повторить эксперимент по пунктам 6–11 для двух новых положений ползунка реостата (на 3 см влево и вправо от среднего положения).
13. Выключить источник питания.
14. Отключить источник питания от схемы.
15. Закрыть окно лабораторной работы «Закон Ома».
Внимание! При появлении информационного окна с запросом сохранения изменений в файле лабораторной работы следует отказаться
от сохранения любых изменений.
Любые изменения кода программы могут нарушить ее штатную работу.
16. Выполнить необходимые расчеты, проанализировать полученные
результаты, ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по проведенной работе.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
1. По формуле
рассчитать сопротивление R для каждого измерения.
2. Вычислить среднеарифметическое значение R для каждой серии
измерений по формуле:
(7)
где n – число измерений.
3. Построить на одном графике зависимости I(U) при R = const для
каждой серии измерений. Указать на графике для каждой зависимости
I(U) соответствующее значение .
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется электрическим током, силой тока?
2. Сформулируйте закон Ома для участка цепи.
3. Какой участок цепи называется однородным?
4. Какие силы называются сторонними силами?
5. Может ли напряжение источника равняться его ЭДС? При каком
условии?
6. По результатам проведенных опытов самостоятельно сформулируйте закон Ома для однородного проводника.
19
Лабораторная работа № 3
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
ОДНОРОДНОГО ПРОВОДНИКА
Цель работы. Экспериментальное определение удельного сопротивления однородного проводника, проверка линейности зависимости
сопротивления от длины однородного проводника, приобретение навыков работы с электроизмерительными приборами.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Закон Ома для однородного участка цепи
(1)
Величина электрического сопротивления R зависит от формы и размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он сделан,
и состояния проводника (например, температуры).
Для однородного проводника цилиндрической формы с постоянным
поперечным сечением эта зависимость имеет вид:
(2)
где l – длина проводника;
s – его поперечное сечение;
 – зависящий от свойств материала коэффициент, называемый
удельным сопротивлением вещества. Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электропроводностью
вещества.
Единица удельного сопротивления есть Ом·м. Если в (2) положить
l = 1, S = 1, то R численно будет равно . Удельное сопротивление вещества есть сопротивление куба с ребром 1 м из данного вещества, выраженное в омах, при токе, параллельном одному из ребер куба. В таблице 1
приведены удельные сопротивления некоторых веществ.
Вещество
Таблица 1
Удельное сопротивление  (Ом·м) при комнатной температуре
Серебро
1,6·10–8
Медь
1,8·10–8
Вольфрам
5,5·10–8
Стекло
~109
Янтарь
~1018
20
ОБОРУДОВАНИЕ
Источник постоянного тока с постоянным внутренним сопротивлением, реостат, соединительные провода, компьютерная система измерений с датчиками тока и напряжения.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую схему, как показано на рисунке 1, соединив источник питания , реостат R, датчики тока и напряжения вместо
амперметра и вольтметра соответственно.
V
A
R
Рис. 1. Электрическая схема
Внимание! Включение лабораторной установки без проверки преподавателем собранной схемы запрещено.
2. Нанести на поверхности реостата разметку длины его рабочей
части через каждые 20 мм.
3. Подключить датчики к плате сбора данных: датчик тока подключить к разъему «Вход 1», датчик напряжения – к разъему «Вход 2».
4. Подключить плату сбора данных к USB разъему компьютера.
5. Включить компьютер и вызвать программу лабораторной работы «Закон Ома и определение удельного сопротивления проводника».
Лицевая панель лабораторной работы изображена на рисунке 2.
Внимание! Если при открытии программы появилось окно диалоговое
«Load Warning Summary», то необходимо выбрать пункт «Ignore».
21
Рис. 2. Лицевая панель компьютерной измерительной лаборатории
6. Установить движок реостата в начальное положение, соответствующее первой отметке 20 мм.
7. Включить источник питания и установить выходное напряжение
на уровне 3-4 В.
8. Запустить программу измерений, для этого запустить лабораторную
работу комбинацией клавиш CTRL+R.
9. Записать в таблицу 2 показания вольтметра и амперметра, соответствующие напряжению и силе тока в начальном положении реостата.
10. Перемещая движок реостата, поочередно вывести его в положение 40, 60, 80, 100 мм и т. д., всякий раз фиксируя соответствующие
значения силы тока и напряжения в каждом положении и записывая
их в таблицу.
11. Остановить измерения, нажав кнопку «Стоп».
12. Выключить источник питания.
13. Отключить источник питания от схемы.
14. Разобрать электрическую схему.
15. Закрыть окно лабораторной работы «Закон Ома и определение
удельного сопротивления проводника».
Внимание! При появлении информационного окна с запросом сохранения изменений в файле лабораторной работы следует отказаться
от сохранения любых изменений.
Любые изменения кода программы могут нарушить ее штатную работу.
16. Выполнить необходимые расчеты, проанализировать полученные
результаты, ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по проведенной работе.
22
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Рассчитать количество витков провода n на реостате, приходящихся на l его рабочей длины.
2. Рассчитать диаметр провода d по формуле (3):
(3)
3. По формуле (4) определить длину проводника l, приходящегося
на l длины рабочей части реостата:
(4)
где D – диаметр рабочей части реостата, D = 75мм.
4. Рассчитать длину проводника для каждого участка реостата (lуч):
(5)
где L – длина рабочей части реостата.
5. Вычислить площадь поперченного сечения проводника:
(6)
6. По формуле
рассчитать сопротивление R для каждого измерения.
7. Рассчитать удельное сопротивление проводника  для различных
положений ползунка реостата
(7)
8. Полученные результаты представить в таблице 2.
Таблица 2
Положение Количество
ползунка
витков, n
1. L = 20 мм
2. L = 40 мм
3. L = 60 мм
4. L = 80 мм
5. L = 100 мм
Длина провода
lуч, м
U, В
I, А
R, Ом , Ом*м
9. Вычислить среднеарифметическое значение  по формуле:
(8)
где n – число измерений.
10. Построить график зависимости R(L).
23
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи.
2. Как зависит сопротивление однородного цилиндрического проводника от его длины?
3. При каких значениях удельного сопротивления вещество можно
считать проводником, полупроводником, диэлектриком?
4. Пользуясь справочными таблицами, определите материал проволоки реостата.
24
Лабораторная работа № 4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ
И ЭДС ИСТОЧНИКА ПОСТОЯННОГО ТОКА
Цель работы. Экспериментальное определение внутреннего сопротивления и ЭДС источника постоянного тока, приобретение навыков
работы с электроизмерительными приборами.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для получения постоянного тока на заряды в электрической цепи
должны действовать какие-либо силы, отличные от сил электростатического поля. Такие силы получили название сторонних сил. Устройства, в
которых возникают сторонние силы, называют источниками тока.
Сторонние силы могут быть обусловлены химическими процессами,
электрическими (но не электростатическими) полями, порождаемыми
меняющимися во времени магнитными полями и т. д.
Сторонние силы характеризуются работой, совершаемой над перемещающимися в цепи зарядами. Величина, равная работе сторонних сил
над единичным положительным зарядом, называется электродвижущей
силой (ЭДС):
(1)
Участок цепи, на котором действуют сторонние силы, называется
неоднородным. Для неоднородного участка цепи падение напряжения
на данном участке равно
(2)
Закон Ома для неоднородного участка цепи
(3)
где R – полное сопротивление цепи.
Положив 1–2 = 0, получим закон Ома для замкнутой цепи:
(4)
где  – ЭДС источника тока,
R – полное сопротивление цепи.
Представив полное сопротивление цепи как сумму внешней нагрузки
R и внутреннего сопротивления источника тока r, запишем закон Ома
как
(5)
25
Напряжение U на зажимах источника тока всегда меньше ЭДС на
величину Ir, которая есть падение напряжения внутри самого источника.
Напряжение на зажимах работающего источника зависит от нагрузки R
внешней цепи. При разомкнутой внешней цепи ЭДС равна напряжению
на зажимах источника.
ОБОРУДОВАНИЕ
Источник постоянного тока с постоянным внутренним сопротивлением, реостат, соединительные провода, ключ, компьютерная система
измерений с датчиками тока и напряжения.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Собрать электрическую схему, как показано на рисунке 1, соединив
источник питания (), реостат (R), ключ (K), датчики тока и напряжения
вместо амперметра и вольтметра соответственно.
Рис. 1. Электрическая схема
Внимание! Включение лабораторной установки без проверки преподавателем собранной схемы запрещено.
2. Подключить датчики к плате сбора данных: датчик тока подключить к разъему «Вход 1», датчик напряжения – к разъему «Вход 2».
3. Подключить плату сбора данных к USB разъему компьютера.
4. Включить компьютер и вызвать программу лабораторной работы «Определение внутреннего сопротивления и ЭДС источника постоянного тока». Лицевая панель лабораторной работы изображена на
рисунке 2.
Внимание! Если при открытии программы появилось окно диалоговое
«Load Warning Summary», то необходимо выбрать пункт «Ignore».
5. При разомкнутой внешней цепи измерить напряжение на полюсах
источника и записать его в таблицу 1.
6. Установить ползунок реостата в среднее положение и замкнуть
ключ.
7. Запустить программу измерений, для этого запустить лабораторную
работу комбинацией клавиш CTRL+R.
26
Рис. 2. Лицевая панель лабораторной работы
«Определение внутреннего сопротивления и ЭДС источника постоянного тока»
8. Перемещая ползунок реостата, измерить значения тока и напряжения и зафиксировать их на графиках временных зависимостей U(t)
и I(t).
9. Данные в трех или четырех фиксированных его положениях занести в таблицу 1.
Таблица 1
№ ЭДС, В Напряжение, Ток, мА Внутреннее сопро- Внешнее сопротивп/п
В
тивление r, Ом
ление R, Ом
1.

0
2.
10. Остановить измерения, нажав кнопку «Стоп».
11. Отключить источник питания от схемы.
12. Разобрать электрическую схему.
13. Закрыть окно лабораторной работы «Определение внутреннего
сопротивления и ЭДС источника постоянного тока».
Внимание! При появлении информационного окна с запросом сохранения изменений в файле лабораторной работы следует отказаться
от сохранения любых изменений. Любые изменения кода программы
могут нарушить ее штатную работу.
14. Выполнить необходимые расчеты, проанализировать полученные
результаты, ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по проведенной работе.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Рассчитать значения нагрузки R и внутреннего сопротивления r
по формуле (5). Полученные результаты занести в таблицу 1.
27
2. Вычислить среднеарифметическое значение r по формуле
(6)
где n – число измерений.
3. Построить график зависимости I(U).
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какой участок цепи называется неоднородным?
2. Сформулируйте закон Ома для неоднородного участка цепи.
3. От чего зависит напряжение на зажимах источника электрической
энергии?
4. Какие силы называются сторонними силами?
5. Может ли напряжение источника равняться его ЭДС? При каком
условии?
28
Лабораторная работа № 5
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОЕ И ПАРАЛЛЕЛЬНОЕ СОЕДИНЕНИЕ
СОПРОТИВЛЕНИЙ
Цель работы. Экспериментальное определение суммарного электрического сопротивления последовательно и параллельно соединенных
проводников, приобретение навыков работы с электроизмерительными
приборами.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Для каждого проводника при неизменном его состоянии существует
однозначная зависимость межу напряжением (U), приложенным к концу
проводника, и силой тока (I) в нем. Эта зависимость называется вольтамперной характеристикой проводника. Для многих проводников эта
зависимость является линейной
(1)
Выражение (1) носит название закона Ома.
Величина электрического сопротивления (R) зависит от формы и
размеров проводника, а также от свойств материала, из которого он
сделан, и состояния проводника (например, температуры).
Все элементы электрической цепи обладают сопротивлением.
Элементы цепи, характеризуемые только сопротивлением электрическому току, называются резисторами.
Линейным называется резистор, сопротивление которого не зависит
от тока, его вольт-амперная характеристика представляет собой прямую
линию, проходящую через начало координат.
1. Последовательное соединение резисторов. Соединение резисторов,
при котором все резисторы соединены один за другим без разветвлений
(т. е. конец предыдущего элемента соединен с началом следующего),
называется последовательным соединением (рис. 1).
Рис. 1. Последовательное соединение резисторов
При последовательном соединении через резисторы протекает один
и тот же ток:
I = const.
(2)
29
Падение напряжения на данном участке цепи определяется как
(3)
Разделив правую и левую части выражения (3) на I, получим:
(4)
При последовательном соединении резисторов общее сопротивление цепи равно сумме сопротивлений его отдельных участков. В общем
случае
(5)
где n – число последовательно соединенных резисторов.
2. Параллельное соединение резисторов. Соединение резисторов, при
котором начала и концы резисторов присоединяются к одним и тем
же двум общим точкам разветвления цепи (узлам цепи), называется
параллельным (рис. 2).
Рис. 2. Параллельное соединение резисторов
При параллельном соединении падение напряжения на всех резисторах одинаково:
U = const.
(6)
Ток, протекающий в цепи, равен сумме токов в отдельных ветвях:
I = I1+I2.
(7)
Применяя закон Ома для однородного участка цепи в выражении
(7) получим:
(8)
откуда
(9)
При параллельном соединении резисторов для вычисления эффективного сопротивления складываются величины, обратно пропорциональные сопротивлениям. В общем случае
(10)
где n – число параллельно соединенных резисторов.
30
Участки цепи, в которых присутствуют как последовательные, так и
параллельные соединения элементов, называются смешанными.
ОБОРУДОВАНИЕ
Регулируемый источник питания 0–10 В, реостат – 2 шт., набор резисторов, компьютерная измерительная система, датчик напряжения –
2 шт., датчик тока – 2 шт.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
Последовательное соединение резисторов
1. Для изучения последовательного соединения резисторов, собрать
электрическую схему, как показано на рисунке 3, соединив источник
питания , реостаты R1 и R2 (резисторы), датчики тока и напряжения
вместо амперметров и вольтметров соответственно.
Рис. 3. Электрическая схема при последовательном соединении резисторов
Внимание! Включение лабораторной установки без проверки преподавателем собранной схемы запрещено.
2. Подключить датчики к плате сбора данных: датчики напряжения
подключить к разъемам «Вход 1» и «Вход 2», датчики тока к разъему
«Вход 3» и «Вход 4» соответственно.
3. Подключить плату сбора данных к USB разъему компьютера.
4. Включить компьютер и вызвать программу лабораторной работы
«Последовательное соединение резисторов». Лицевая панель лабораторной работы изображена на рисунке 4 (с. 32).
Внимание! Если при открытии программы появилось окно диалоговое
«Load Warning Summary», то необходимо выбрать пункт «Ignore».
5. Включить источник питания и установить выходное напряжение
на уровне 3-4 В.
6. Запустить программу измерений, для этого запустить лабораторную
работу комбинацией клавиш CTRL+R.
7. Измерить значения U1, U2, I1, I2 и занести их в таблицу 1.
31
Рис. 4. Лицевая панель лабораторной работы
«Последовательное соединение резисторов»
Рис. 5. Электрическая схема при параллельном соединении резисторов
Рис. 6. Лицевая панель лабораторной работы
«Параллельное соединение резисторов»
32
8. Повторить пункты 5–7, устанавливая другие значения выходного
напряжения источника питания.
9. Остановить измерения, нажав кнопку «Стоп».
10. Выключить источник питания.
11. Отключить источник питания от схемы.
12. Разобрать электрическую схему.
13. Закрыть окно лабораторной работы «Последовательное соединение резисторов».
Внимание! При появлении информационного окна с запросом сохранения изменений в файле лабораторной работы следует отказаться
от сохранения любых изменений. Любые изменения кода программы
могут нарушить ее штатную работу.
Параллельное соединение резисторов
1. Для изучения параллельного соединения резисторов, собрать электрическую схему, как показано на рисунке 5, соединив источник питания, реостаты R1 и R2 (резисторы), датчики тока и напряжения вместо
амперметров и вольтметров соответственно.
Внимание! Включение лабораторной установки без проверки преподавателем собранной схемы запрещено.
2. Подключить датчики к плате сбора данных: датчики напряжения
подключить к разъемам «Вход 1» и «Вход 2», датчики тока к разъему
«Вход 3» и «Вход 4» соответственно.
3. Подключить плату сбора данных к USB разъему компьютера.
4. Включить компьютер и вызвать программу лабораторной работы
«Параллельное соединение резисторов». Лицевая панель лабораторной
работы изображена на рисунке 6.
Внимание! Если при открытии программы появилось окно диалоговое
«Load Warning Summary», то необходимо выбрать пункт «Ignore».
5. Включить источник питания и установить выходное напряжение
на уровне 3-4 В.
6. Запустить программу измерений, для этого запустить лабораторную
работу комбинацией клавиш CTRL+R.
7. Измерить значения U1, U2, I1, I2 и занести их в таблицу 2.
8. Повторить пункты 5–7, устанавливая другие значения выходного
напряжения источника питания.
9. Остановить измерения, нажав кнопку «Стоп».
10. Выключить источник питания.
11. Отключить источник питания от схемы.
12. Разобрать электрическую схему.
13. Закрыть окно лабораторной работы «Параллельное соединение
резисторов».
Внимание! При появлении информационного окна с запросом сохранения изменений в файле лабораторной работы следует отказаться
от сохранения любых изменений.
33
Любые изменения кода программы могут нарушить ее штатную работу.
14. Выполнить необходимые расчеты, проанализировать полученные
результаты, ответить на контрольные вопросы и сделать самостоятельные выводы по проведенной работе.
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА
1. Для последовательного соединения резисторов рассчитать их сопротивления R1, R2, общее сопротивление цепи R и падение напряжения
U в цепи.
2. Полученные результаты представить в таблице 1.
Таблица 1
№
опыта
Последовательное соединение
U1, В
U2, В
I1, А I2, А R1, Ом R2, Ом U, В R, Ом U1/U2
R1/R2
3. Рассчитать и сравнить отношение напряжений на участках цепи U1/
U2 с отношением сопротивлений соответствующих резисторов R1 /R2.
4. Для параллельного соединения резисторов рассчитать их сопротивления R1, R2, общее сопротивление цепи R и общий ток I в цепи.
5. Полученные результаты представить в таблице 2.
Таблица 2
№
опыта
Параллельное соединение
U1, В U2, В
I1, А I2, А R1, Ом R2, Ом I, A
R, Ом I1/I2
R1/R2
6. Рассчитать и сравнить отношение токов на участках цепи I1/I2 с
отношением сопротивлений соответствующих резисторов R1/R2.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что называется вольт-амперной характеристикой проводника?
2. Какие соединения резисторов называются последовательными,
параллельными, смешанными?
3. Как соотносятся между собой силы тока в параллельных ветвях
электрической цепи?
4. Как рассчитывается общее сопротивление при последовательном
и параллельном соединении резисторов?
34
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Савельев И. В. Курс общей физики / И. В. Савельев. — Т. 3. «Электричество и
магнетизм» — 5-е изд. — СПб.: Лань, 2011. — 348 с.
2. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики: учебное пособие / В. С. Волькенштейн. — 3-е изд, испр. и доп. — СПб.: Книжный мир,
2008. — 328 с.
3. Савельев И. В. Сборник вопросов и задач по общей физике: учеб. пособие/
И. В. Савельев. — СПб.: Лань, 2013. — 288 с.
4. Трофимова Т. И. Курс физики: учебное пособие для вузов / Т. И. Трофимова. —
11-е изд., стер. — М.: ИЦ «Академия», 2006. — 560 с.
5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. В 5 т. Т. 3 «Электричество» / Д.В. Сивухин. —
4-е изд., стер. — М.: Физматлит; Изд-во МФТИ, 2009. — 656 с.
Учебное издание
М. Ю. Савельева
Физика.
Электричество и магнетизм
Лабораторные работы
Методические указания
Санкт-Петербургский государственный университет
технологии и дизайна (СПГУТД)
191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18
Подписано в печать 02.07.2015 г.
Гарнитура Newton. Формат 60 x 841/16
Печ. л. 2. Заказ № 67
Отпечатано с оригинал-макета
в Издательско-полиграфическом центре СПГУТД СЗИП
191180, Санкт-Петербург, пер. Джамбула, 13
тел. (812) 315-91-32 (145)
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
4
Размер файла
689 Кб
Теги
2015, elektrichmagnet
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа