Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 42

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛЕКТРОЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

И БАТАРЕИ КОНДЕНСАТОРОВ

Цель работы – определить электроёмкости конденсаторов и батареи кон-

денсаторов, соединённых последовательно и параллельно.

Приборы и принадлежности: конденсатор известной ёмкости, конденса-

торы неизвестной емкости, микровеберметр, вольтметр, потенциометр, источ-

ник питания, выключатель.

Общие положения

Конденсатор − система из двух проводников, разделенных слоем диэлек-

трика. Электроемкость конденсатора равна отношению заряда q к разности по-

тенциалов между обкладками. Обозначим

ϕ−ϕ U

−

, тогда

C =

. (1)

Электроемкость конденсаторов зависит от их размеров и формы, элек-

трических свойств диэлектрика и практически не зависит от окружающих тел.

В случае плоского конденсатора электроемкость определяется выражением:

, (2)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды, ε =8,85⋅10

−12

Ф/м – электриче-

ская постоянная, S – площадь пластин, d – расстояние между пластинами.

Конденсаторы можно соединять в батарею. При последовательном со-

единении емкость батареи рассчитывается по формуле:

ССССC

...

1111

321

++++=

. (3)

При параллельном соединении ёмкость батареи рассчитывается по фор-

муле:

ССССC ++++= ...

321

. (4)

Описание экспериментальной установки

Для определения емкости конденсатора в данной работе используется ус-

тановка, электрическая схема которой приведена на рис. 1. Она включает в се-

бя: R – потенциометр, V – вольтметр, С1=C

– конденсатор известной емкости,

S1 – переключатель, позволяющий подключать конденсатор к источнику G1

(при зарядке конденсатора) или, при его разрядке, к измерительному прибору

(микровеберметру), K1 – ключ цепи источника питания, С

– конденсаторы не-

известной емкости (на схеме не указаны, ими замещают С1).

111

Если с помощью потенциометра установить определенное напряжение и

зарядить конденсатор, а затем переключить конденсатор на микровеберметр, то

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

конденсатор разрядится через него. При разрядке конденсатора через микрове-

берметр протекает кратковременный ток.

S 1

P 1

C 1

G 1

K 1

И з м е р и т е л ь н ы й

п р и б о р

Рисунок 1

Разрядим через микровеберметр конденсатор известной емкости С

, за-

ряженный до известного напряжения U

. Заряд конденсатора равен:

000

UСq

Показания микровеберметра пропорциональны величине заряда:

nBq

, (5)

где В – постоянная прибора (коэффициент пропорциональности);

– показание микровеберметра. Из (5) определим постоянную прибора:

B =

. (6)

Зная значение прибора, можно определить ёмкость любого конденсатора

по формуле

C =

(7)

где U – напряжение на конденсаторе, n – показание микровеберметра.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

2. Какие величины в работе измеряются непосредственно?

3. Для чего в работе используется эталонный конденсатор?

4. Нарисуйте схему последовательного и параллельного соединения конденса-

торов.

Выполнение работы

Задание 1. Определение постоянной прибора

1. Подготовить микровеберметр к работе. Для этого установить ручки управ-

ления в следующие положения: R

внеш

=0; переключатель пределов – 1; ка-

либровка – отжата.

112

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

2. Подключить микровеберметр к клеммам переключателя S1 (рис. 1).

3. Включить микровеберметр в сеть.

4. Записать значение емкости эталонного конденсатора С

. Подключить его к

клеммам переключателя S1.

5. Замкнуть выключатель K1 и, передвигая контакт потенциометра, устано-

вить указанное преподавателем напряжение U

6. Установить переключатель S1 в положение, при котором конденсатор заря-

жается. Нажать кнопку «Пуск» на передней панели микровеберметра и не

позже чем через 2 сек перекинуть переключатель S1 в положение для раз-

рядки конденсатора. Снять показание n

. Опыт следует повторить не менее

пяти раз.

Задание 2. Определение емкости конденсатора

1. Заменить конденсатор С

конденсатором неизвестной емкости С

2. Установить напряжение U, указанное преподавателем.

3. Провести измерения согласно пункту 6 задания 1, снимая показания n.

4. Аналогично провести измерения для второго конденсатора С

Задание 3. Измерение емкости параллельно и последовательно

соединенных конденсаторов

1. Включить в цепь (рис.1) два конденсатора, соединенных последовательно.

2. Провести измерения согласно пункту 6 задания 1, снимая показания n.

3. Включить в цепь (рис.1) два конденсатора, соединенных параллельно.

4. Провести измерения согласно пункту 6 задания 1, снимая показания n.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать постоянную установки В по формуле (6) для каждого опыта.

Найти среднее значение постоянной.

2. Рассчитать емкости первого и второго конденсаторов по формуле (7) для

каждого опыта.

3. Найти среднее значение емкости каждого конденсатора.

4. Рассчитать емкость батареи для каждого опыта по формуле (7).

5. Найти среднее значение емкости каждой батареи конденсаторов.

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Что представляет собой конденсатор? Дайте определение электроемкости

конденсатора. В каких единицах она измеряется?

2. От чего зависит электроемкость конденсатора?

3. Как рассчитывается электроёмкость батареи последовательно и параллельно

соединённых конденсаторов? Используя средние значения емкостей конден-

саторов

и С

, найденные в п. 6 задания 2, рассчитать емкости батареи

при последовательном соединении, параллельном соединении. Сравнить по-

лученные значения с экспериментальными результатами задания 3.

113

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №42

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Электроёмкость эталонного конденсатора С

= _______________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Вольтметр

Задание 1

№ п/п U

, В n

, дел

B, (мкФ⋅В)/дел

среднее

Задание 2

1-й конденсатор 2-й конденсатор №

п/п

U, В n, дел C, мкФ U, В n, дел C, мкФ

среднее

Задание 3

Последовательное соединение Параллельное соединение №

п/п

U, В n, дел C, мкФ U, В n, дел C, мкФ

среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

114

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 43

ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ

МЕТОДОМ ВОЛЬТМЕТРА И АМПЕРМЕТРА

Цель работы – определить удельное электрическое сопротивление метал-

лов методом вольтметра и амперметра.

Приборы и принадлежности: подставка с натянутыми проводниками из

различных металлов, амперметр, вольтметр, выключатель, источник тока.

Общие положения

Электрическое сопротивление (R) – скалярная физическая величина, ха-

рактеризующая свойство проводника противодействовать пропусканию элек-

трического тока и равная отношению напряжения U на концах проводника к

силе тока I, протекающего по нему:

R =

. (1)

Величина сопротивления зависит от формы и размеров проводника, а

также от свойств материала, из которого он сделан. Для однородного цилинд-

рического проводника

R ρ=

, (2)

где

l – длина проводника, S – площадь поперечного сечения, ρ – удельное элек-

трическое сопротивление материала проводника.

Отсюда

R=ρ

. (3)

Удельное сопротивление численно равно сопротивлению цилиндрическо-

го проводника единичной длины и единичной площади поперечного сечения.

Удельное сопротивление зависит от природы вещества.

Чтобы определить ρ, необходимо измерить электрическое сопротивление

R проводника, его длину l и диаметр d проводника. Площадь сечения

. (4)

В данной лабораторной работе для измерения сопротивления использует-

ся метод амперметра и вольтметра, который по-другому называется техниче-

ским методом. В основе этого метода лежит закон Ома. По закону Ома сила то-

ка, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна

напряжению на этом проводнике

I ⋅=

(5)

115

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

Сделав замены в формуле (3) в соответствии с выражениями (1) и (4), по-

лучим:

=ρ

. (6)

Описание экспериментальной установки

Для измерения сопротивления собирают электрическую цепь, схема ко-

торой представлена на рис.1.

G 1

P 1

P 2

K 1

R 4

R 1

R 2

R 3

Рисунок 1

G1– источник тока, K1 – ключ, R

, R

– исследуемые проводники,

натянутые на специальной подставке. Длина каждого проводника l = 1 м. Диа-

метр проводников d указан на подставке. А – амперметр для измерения тока в

цепи, V – вольтметр для измерения напряжения на отдельных участках провод-

ников R

, R

и R

. Реостат R служит для регулировки тока в цепи.

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какой закон лежит в основе метода амперметра и вольтметра?

Какие величины в работе измеряются непосредственно?

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать удельное сопротив-

ление проводника. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

Собрать электрическую цепь по схеме (рис. 1).

Определить цену деления амперметра и вольтметра.

Подключить установку к источнику тока.

Замкнуть ключ K1 и установить определенный ток I в цепи с помощью рео-

стата R.

116

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

5. Измерить напряжение U на участках: а) длиной l

=0,5 м; б) длиной l

=1 м;

для каждого проводника.

Изменить силу тока и измерить напряжение U на участках длиной l

=1 м

для каждого проводника.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать удельное сопротивление для каждого опыта по формуле (6).

Определить для каждого проводника среднее значение удельного сопротив-

ления

Рассчитать абсолютную погрешность Δρ как для прямых измерений. Найти

относительную погрешность измерений каждого опыта.

Окончательный результат для каждого исследуемого проводника предста-

вить в стандартном виде:

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Дайте определение сопротивления проводника. От каких величин оно зави-

сит? Запишите формулу. Поясните смысл обозначений. Укажите единицы

измерения.

Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи. Запишите фор-

мулу.

Каков физический смысл удельного сопротивления? От чего оно зависит?

Сравните полученные результаты с табличными значениями удельных со-

противлений и определите возможный материал проводников.

117

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №43

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число деле-

ний на шка-

ле

Цена деления

с указанием еди-

ницы измерения

1 Вольтметр

2 Амперметр

Проводник 1

Диаметр первого проводника d = ____________

№

п/п

ρ,

мкОм

⋅м

1 0,5

2 1,0

3 1,0

Среднее

Проводник 2

Диаметр второго проводника d = ____________

№

п/п

ρ,

мкОм

⋅м

1 0,5

2 1,0

3 1,0

Среднее

Проводник 3

Диаметр третьего проводника d = ____________

№

п/п

ρ,

мкОм

⋅м

1 0,5

2 1,0

3 1,0

Среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

118

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Лабораторная работа №44

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЙ ПРИ ПОМОЩИ

МОСТА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы – ознакомится с методом измерения сопротивлений при по-

мощи моста постоянного тока, определить неизвестное сопротивление R

Приборы и принадлежности: реохорд, гальванометр, магазин сопротив-

лений (R

), источник постоянного напряжения, ключ, неизвестные сопротивле-

ния (R

), соединительные проводники.

Общие положения

Одним из методов определения сопротивлений проводников является ме-

тод моста постоянного тока. На рис.1 изображена схема простейшего моста, на-

зываемого мостиком Уитстона.

P 1

R 0

R x

l 1 l 2

B D

G 1

K 1

Рисунок 1

Он составлен из четырех последовательно соединенных сопротивлений,

образующих «четырехугольник» АСВDА. В одну из диагональных ветвей –

СD, являющуюся мостиком – включается чувствительный гальванометр Г(Р1), ,

в другую – источник G1. Измеряемое сопротивление R

образует ветвь СВ, а в

ветвь АС включается магазин сопротивлений R

. Ветвь АDВ образуется рео-

хордом. Реохорд представляет собой однородную прокалиброванную проволо-

ку, закрепленную на линейке. По проволоке перемещается подвижный контакт

D, разделяющий её па два участка l и l , сопротивления которых R

1 2

и R

. Ток,

протекающий через гальванометр, зависит от сопротивлений R

, R

. Пе-

ремещая контакт D, можно найти такое положение на реохорде, при котором

этот ток станет равным нулю. В этом случае разность потенциалов между точ-

ками С и D равна нулю:

−

DС

Обозначив ток в ветви ВСА через I

, а в ветви ВDА – через I

, получим:

221

−

ϕ RIRI

xDС

(1)

1201

−

ϕ RIRI

DС

(2)

Из (1) и (2) следует, что

119

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

= . (3)

Сопротивление однородного проводника пропорционально его длине, т.е.

ρ и

ρ= ,

где

– удельное сопротивление, l − длина, S − площадь поперечного се-

чения проводников. Отношение сопротивлений

= . (4)

Из (3) и (4) следует, что

= . (5)

Измерение сопротивлений сводится, таким образом, к измерению длин.

Если проводники соединяются последовательно (рис. 2), то общее сопро-

тивление участка:

…

Рисунок 2

RRRR

(6)

Если проводники соединяются параллельно

(рис. 3), то общее сопротивление участка:

…

Рисунок 3

RRRR

1111

+++= K (7)

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

В чём заключается сущность метода моста постоянного тока?

Какие величины при проведении работы измеряются непосредственно?

Нарисуйте схему последовательного и параллельного соединения провод-

ников.

Выполнение работы

1. Собрать электрическую цепь (рис. 1), включив сопротивление R

2. Установить на магазине сопротивлений значение R

, близкое по величине к

измеряемому сопротивлению (в интервале от 10 до 15 Ом). Включить уста-

новку в сеть.

120