Щеглова И.Ю., Печенов В.В. Виртуальный физический практикум

Подождите немного. Документ загружается.

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

UUU += . (2)

В общем случае (участок содержит n последовательно соединенных про-

водников с сопротивлениями R

, R

, …, R

nnn

RRRRUUUUIIII +

=== ...;...;...

212121

Параллельное соединение: Кроме последовательного соединения потре-

бителей применяют и другой способ соединения, который называется парал-

лельным. При параллельном соединении

концы отдельных ветвей присоединя-

ются к одной и той же паре точек, называемых

узлами (место соединения

(электрического контакта) трех и более ветвей). На рис. 7 изображена схема па-

раллельного соединения 2-х проводников.

При параллельном соединении все входящие в него проводники одним

своим выводом присоединяются к одной точке цепи А, а вторым - к другой

точке В. Поэтому падение потенциала на участке цепи АВ и на концах всех па-

раллельно соединённых проводников одно и то же.

UUU ==

. (3)

Очень удобно поэтому применять параллельное соединение потребителей

в быту и в технике, так как все они в этом случае изготавливаются в расчёте на

одинаковое напряжение. Кроме того, при выключении одного потребителя

другие продолжают действовать, ток в них не прерывается, так как цепь остаёт-

ся замкнутой.

При параллельном соединении ток в точке А разветвляется на два тока I

, сходящиеся вновь в точке В.

Рис. 7. Параллельное соединение

проводников.

Понятно, что

III +=

, (4)

т.е. сила тока в неразветвлённой части цепи равна сумме токов в отдельных

ветвях.

Сопротивление при параллельном соединении находится из следующего

соотношения:

111

RRR

+= .

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

Для общего случая (n проводников с сопротивлениями R

, R

, …, R

со-

единены параллельно):

RRRR

UUUUIIII

...

111

;...;...

2121

+++=====+++= .

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

Порядок выполнения работы.

Задание № 1. Знакомство с основными элементами цепей и правилами ра-

боты с ними.

1. Открывая последовательно вкладки с элементами, вытащить на рабо-

чий стол различные приборы. Изучить инструкцию по эксплуатации каждого

прибора (через контекстное меню). Выписать основные положения этой инст-

рукции и правила работы с различными элементами и приборами (демонстра-

ционными вольтметрами и амперметрами, батареями, схем-приборами, реоста-

тами, лампочками, ключами и переключателями). Разобраться с полярностью

подключения измерительных приборов. Собрать с помощью некоторых из них

работающую электрическую цепь (не менее 3-4 элементов). Научиться соеди-

нять, перемещать, удалять и заменять сгоревшие приборы, выводить их инфор-

мационную панель, изменять сопротивление реостатов; а также изменять цвет

соединительных проводников, отсоединять проводники и добавлять к ним но-

вые узловые точки.

2. Вывести на рабочий стол две различные батареи со вкладки "Источни-

ки тока". Измерить с помощью демонстрационных вольтметров разность по-

тенциалов на зажимах каждой из двух батарей. Записать показания.

Демонстрационный вольтметр

5 В 15 В

Схем-вольтметр, В

Батарея 1

Батарея 2

3. Дополнить цепь, включив в нее ключ и реостат. Замкнуть цепь и срав-

нить показания вольтметров с предыдущими. Объяснить расхождение.

Сопротивление

реостата, Ом

Демонстрационный

вольтметр, В

Схем-вольтметр, В

Батарея 1

Батарея 2

4. Изменяя сопротивление реостата (не менее трех-четырех значений),

проследить за изменением разности потенциалов на зажимах батареи. Зарисо-

вать в тетради принципиальную схему собранных установок.

5. Повторить задание (п.п. 2-4) со схем-вольтметром

6. Собрать цепь из следующих элементов: батареи, ключа и демонстраци-

онного амперметра

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

или .

Проверить работу схемы с каждым из двух прибо-

ров и каждой батареей. Повторить задание со схем-

амперметром. Результаты занести в таблицу (со-

ставляется самостоятельно). Сделать вывод по

каждому из случаев.

Задание № 2.

Проверка закона Ома для участка цепи.

1). Изучение зависимости силы тока в однородном участке цепи от падения потен-

циала на его концах.

На рисунке 8 изображена рабочая схема электрической цепи, состоящей из

источника постоянного напряжения, двух реостатов, ключа и измерительных

приборов – амперметра и вольтметра. Изменение сопротивления цепи достига-

ется при помощи реостата R2. Это приводит к изменению тока в цепи и паде-

ний потенциала на ее отдельных участках. Поскольку закон Ома для однород-

ного участка цепи связывает три величины (силу тока – измеряется ампермет-

ром, падение потенциала – измеряется вольтметром, сопротивление участка це-

пи – устанавливается экспериментатором с помощью переменного сопротивле-

ния R1), то для изучения зависимости силы тока в проводнике от разности по-

тенциалов на его концах необходимо зафиксировать величину сопротивления

изучаемого участка (R1). Снимая показания приборов (амперметра и вольтмет-

ра) при неизменной величине сопротивления R1, изучают зависимость силы то-

ка в цепи от разности потенциалов на участке, содержащем R1.

Рис. 8. Рабочая схема цепи для изучения за-

висимости силы тока от падения потенциа-

ла для однородного участка цепи.

1. Собрать цепь по рис. 9, а, используя инструментальную программную

систему “Сборка”.

Здесь в качестве источника постоянного напряжения, а также измеритель-

ных приборов – амперметра и вольтметра – используются их схем-приборы.

Выбор реостата R2 проводится в соответствии с сопротивлением цепи (в дан-

ном случае – в соответствии с установленным сопротивлением реостата R1. См.

требования к реостатам). Подготовить приборы к работе: полностью ввести

реостат R2, установить определенное значение сопротивления

реостата R1 и

величины э.д.с. (по указанию преподавателя).

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

а) б)

Рис. 9. Установка для проверки закона Ома: а) изучение зависимости силы тока

от разности потенциалов на концах проводника; б) изучение зависимости силы

тока от величины сопротивления проводника.

2. Для 10-12 значений сопротивления реостата R2 определить силу тока в

цепи и падение потенциала на участке, содержащем сопротивление R1.

Занести результаты в таблицу (см. ниже). По полученным результатам

построить график зависимости силы тока от разности потенциалов на концах

проводника I=f(U).

Сопротивление реостата R

=________

Ом

Э.д.с. источника Е=_____ В

№

п/п

, Ом

U, В I, А

расч

, Ом

расч

, А

…

4. Используя соответствующие формулы закона Ома, рассчитать сопро-

тивление реостата R1, а так же силу тока для каждого значения сопротивления

цепи (сопротивление источника пренебрежимо мало). Объяснить возможную

причину расхождения результатов эксперимента и вычислений.

2). Изучение зависимости падения потенциала от сопротивления однородного уча-

стка цепи.

В работе используется цепь, собранная по рис. 9, а, с теми же параметра-

ми, что и в п.п. 1-4 задания. Переменные величины – падение потенциала, из-

меряемое вольтметром

V, и сопротивление проводника, устанавливаемое рео-

статом

R1. Неизменной в данном случае должна оставаться сила тока в цепи,

которую будем поддерживать с помощью реостата R2. Перед началом работы

необходимо полностью вывести

реостат R2 и ввести R1.

Подготовить цепь к работе (при разомкнутом ключе полностью вывести

реостат R2 и ввести R1).

Замкнуть цепь и выписать показания всех приборов, а также сопротив-

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

ления реостатов в таблицу.

Изменить сопротивление R1 и подобрать величину сопротивления рео-

стата R2 таким образом, чтобы ток в цепи имел то же значение, что и в п. 2

Результаты занести в таблицу.

Повторить п. 3 задания для 10-12 значений сопротивления R1. По полу-

ченным данным построить график зависимости падения потенциала от сопро-

тивления проводника U=f(R).

Э.д.с. источника Е=____________ В

№

п/п

эксп

, Ом R

, Ом

U, В I, А

расч

, Ом

…

5. Пользуясь законом Ома для однородного участка цепи, рассчитать вели-

чину сопротивления (R1

расч

) и сравнить с экспериментальными данными. Объ-

яснить возможную причину расхождения.

3). Изучение зависимости силы тока в однородном участке цепи от его сопротивле-

ния.

Как и в предыдущих случаях, для проверки зависимости силы тока в про-

воднике от его сопротивления необходимо исключить третью величину – раз-

ность потенциалов на концах проводника, т.е. в процессе эксперимента она

должна оставаться неизменной. Для этой цели используют цепь на рис. 9, б.

Собрать цепь по рис. 9, б. Установить определенную величину э.д.с. ис-

точника (по указанию преподавателя). Полностью ввести реостат.

Замкнуть цепь и выписать показания всех приборов (см. таблицу).

Изменить сопротивление реостата и подобрать э.д.с. источника так,

чтобы падение потенциала на реостате оставалось прежним. Результаты за-

нести в таблицу.

№

п/п

E, В

эксп

, Ом U, В I, А R

расч

, Ом

…

4. Повторить п. 3 для 10-12 значений сопротивления реостата. Для каждого

случая рассчитать величину сопротивления реостата (

расч

), используя закон

Ома.

По результатам эксперимента построить график зависимости силы тока

от сопротивления проводника I=f(R

эксп

Зарисовать рабочую и принципиальную схемы установки для данного за-

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

дания.

Объяснить причину расхождения экспериментальных и расчетных дан-

ных (

эксп

и R

расч

), а также значений э.д.с. Е и падения потенциала U на реостате.

4). Проверка закона Ома для неоднородного участка цепи.

1. Составить и собрать цепь из источника питания (схем-прибор), ампер-

метра (схем-амперметр), ключа и двух реостатов (R1, образующий вместе с ис-

точником исследуемый неоднородный участок; R2 – ограничивающий). Подго-

товить цепь к работе (полностью ввести реостат R2, установить определенную

величину сопротивления реостата R1, внутреннего сопротивления r источника

и его э.д.с. Е - по указанию преподавателя).

Подключить схем-вольтметр к исследуемому неоднородному участку

цепи. При разомкнутом ключе измерить разность потенциалов на концах участ-

ка и объяснить наличие тока в нем.

Замкнуть цепь. Измерить падение потенциала на концах участка. Объяс-

нить различие токов в неоднородном и однородном участках.

Зарисовать рабочую схему цепи. Пользуясь законом Ома, рассчитать ток

в цепи (считая все приборы идеальными) и падение потенциала на концах ис-

следуемого участка.

Изменить величину сопротивления R1 и вновь провести измерения и

расчет.

Задание выполнить для трех-четырех значений сопротивления R1.

Задание № 3.

Проверка законов последовательного соединения.

1. Для выбранных самостоятельно или по указанию преподавателя ламп

(

RR ≠ ) определить максимально допустимый ток в цепи и расчитать макси-

мально допустимое падение потенциала при их последовательном соединении.

Собрать цепь по рис. 10, а, где в качестве источника используется схем-батарея,

э.д.с. которой не должно превышать рассчитанного значения падения потен-

циала на лампах.

Замкнуть цепь и определить токи в различных участках этой цепи. Ре-

зультаты занести в таблицу (часть Эксперимент). Сделать вывод.

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

а) б)

Рис. 10. Установки для изучения законов последовательного соединения.

Эксперимент Расчет

№

п/п

Е, В R

, Ом R

, Ом

I , A

, A

3. Повторить опыт (п.п. 1-2) для различных сопротивлений ламп. Одинако-

ва ли яркость свечения ламп? Какая из ламп светится ярче? Зарисовать в тет-

радь рабочую схему установки.

Пользуясь законами Ома и последовательного соединения проводников,

рассчитать силу тока в такой цепи. Результаты занести в таблицу (часть Рас-

чет). Сравнить с показаниями амперметров.

Собрать схему по рис. 10, б (лампы берутся из п.п. 1-3 задания). Замк-

нуть цепь и определить падение потенциала на различных элементах схемы. Ре-

зультаты занести в таблицу (см. ниже). Проверить формулу (2). Зарисовать в

тетрадь рабочую схему установки.

Повторить эксперимент для различных сопротивлений ламп.

Пользуясь законом Ома, формулами последовательного соединения про-

водников и известными параметрами ламп, рассчитать падение потенциала на

каждой из ламп и сумму падений потенциала. Сравнить с результатами экспе-

римента (п. 5).

Эксперимент Расчет

№

п/п

Ом

U ,

, В

U ,

UU + ,В

8. Сделать выводы.

Самостоятельно разработать и собрать цепь, позволяющую проверить

формулы (1) и (2) одновременно.

Задание № 4

. Проверка законов параллельного соединения.

1. Для выбранных ламп определить максимальное значение падения по-

тенциала при их параллельном соединении и рассчитать максимально допусти-

мый ток в неразветвленной части цепи. Собрать установку по рис. 11, а (заме-

чание по источнику см. в Задании № 3). Замкнуть цепь и определить падение

потенциала на различных элементах схемы. Результаты занести в таблицу

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

(часть Эксперимент).

2. Пользуясь законом Ома, законами параллельного соединения проводни-

ков и зная параметры ламп, рассчитать падение потенциала на каждой из ламп

и сумму падений потенциала (все используемые в схеме приборы считать иде-

альными). Результаты расчета занести в таблицу (часть Расчет). Сравнить с

показаниями вольтметров.

Эксперимент

Расчет

№

п/п

Е, В

, Ом R

, Ом

, В U

, В

U, В

, В U

, В

U, В

3. Повторить эксперимент для других ламп. Одинакова ли яркость свече-

ния ламп? Какая из ламп светится ярче?

4. Собрать установку по рис. 11, б (параметры ламп берутся из п.п. 1-3 за-

дания). Замкнуть цепь и проверить работу схемы. Результаты занести в табли-

цу.

а) б)

Рис. 11. Схемы для изучения законов параллельного соединения

Эксперимент Расчет

№

п/п

Е, В

I , А

I, А

, А

I , А

, А

Знакомство с интерфейсом программы схемотехники СБОРКА.

5. Рассчитать ток в цепи и в отдельных ее ветвях (сопротивлением источ-

ника и амперметров пренебречь), и сравнить результаты с показаниями прибо-

ров.

Самостоятельно разработать и собрать цепь, позволяющую проверить

формулы (3) и (4) одновременно.

Собрать установку по схеме рис. 13.

Рис. 13.

Все лампы в этой схеме рассчитаны на напряжение 13,5 В. Начальное значение

э.д.с. источника (в качестве него удобно выбрать схем-батарею с маленьким

внутренним сопротивлением) 10 В. Одинаковым ли будет накал ламп? Поче-

му? Вывод проверить экспериментально.

Какая из ламп перегорит первой при увеличении разности потенциалов на

концах такого участка? При каком минимальном напряжении это произойдет?

Почему? Вывод проверить экспериментально.

Задание № 5.

Изучение различных режимов работы источников питания и

схем их включения.

1. На рис. 14 представлена схема установки для изучения различных ре-

жимов работы источников питания и схем их включения.