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

Подождите немного. Документ загружается.

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

3. Замыкая выключатель на короткое время, и перемещая подвижный контакт D

по реохорду, добиться нулевого показания гальванометра и измерить l

, и l

Необходимо следить за тем, чтобы контакт в точке D не нарушался в про-

цессе эксперимента.

Примечание: мостик Уитстона дает наиболее точные результаты в

том случае, когда подвижный контакт D находится посередине реохор-

да.

4. Рассчитать сопротивление R

по формуле (5). Установить на магазине со-

противлений полученное значение. Повторить измерения согласно п.3.

5. Рассчитать сопротивление R

по формуле (5).

6. Заменить сопротивление R

на R

и провести для него измерения согласно

пунктам 2, 3, 4, 5.

7. Включить сопротивления R

и R

в цепь последовательно и провести изме-

рения согласно пунктам 2, 3, 4, 5.

8. Включить сопротивления R

и R

в цепь параллельно и провести измерения

согласно пунктам 2, 3, 4, 5.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Найти средние значения сопротивлений R

, R

послед

и R

парал

Используя средние значения R

и R

, рассчитайте сопротивление при их

последовательном и параллельном соединении. Сравните полученные зна-

чения с экспериментальными результатами R

послед

и R

парал

пункта 1. Сделай-

те вывод.

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

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

сит? Запишите формулу. Поясните смысл обозначений.

Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи. Запишите фор-

мулу.

Как рассчитать сопротивление при: а) последовательном, б) параллельном

соединении проводников?

121

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №44

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Сопротивление 1

№

п/п

Ом

Среднее

Сопротивление 2

№

п/п

Ом

Среднее

Последовательное соединение сопротивлений

№

п/п

Ом

Среднее

Параллельное соединение сопротивлений

№

п/п

Ом

Среднее

Дата________ Подпись преподавателя___________________

122

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Лабораторная работа № 46

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО

СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы – исследовать зависимость электрического сопротивления

металлов от температуры, определить температурный коэффициент сопротив-

ления исследуемых материалов.

Приборы и принадлежности: исследуемые проводники, нагреватель, тер-

мометр, вольтметр универсальный В7-21А.

Общие положения

Электрическое сопротивление R – скалярная физическая величина, харак-

теризующая свойство проводника противодействовать пропусканию электриче-

ского тока и равная отношению напряжения U на концах проводника к силе то-

ка I, протекающего по нему:

R =

Сопротивление проводников, наличие электрического тока в которых

приводит к выделению тепла, называется омическим или активным. Сопротив-

ление однородного проводника зависит от материала проводника и его геомет-

рических размеров и может быть рассчитано по формуле:

R ρ=

, (1)

где

l – длина проводника,

S – площадь поперечного сечения проводника

ρ – удельное электрическое сопротивление, характеризующее материал про-

водника.

Электрическое сопротивление измеряют омметрами и измерительными

мостами. Единица электрического сопротивления в СИ – Ом.

Электрическое сопротивление металлов связано с рассеянием электронов

проводимости на тепловых колебаниях кристаллической решетки и структур-

ных неоднородностях. Поэтому сопротивление металлов зависит от температу-

ры. С большой степенью точности можно считать, что зависимость сопротив-

ления металлов от температуры является линейной:

)1(

tRR

, (2)

где R – сопротивление при температуре t°C,

– сопротивление при 0°C,

α – температурный коэффициент сопротивления.

Температурный коэффициент сопротивления – это величина, численно

равная относительному изменению сопротивления проводника при изменении

его температуры на 1°C:

123

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

⋅

=α

Для чистых металлов температурный коэффициент представляет величи-

ну порядка

α≈0,004 1/°C. Для некоторых электротехнических сплавов (манга-

нин, константан)

α настолько мало, что им можно пренебречь и в достаточно

широком интервале температур считать сопротивление независящим от темпе-

ратуры.

Из формулы (2) следует, что

⋅

−

=α ,

т.е. для определения

α необходимо знать сопротивление при 0°С, которое, как

правило, неизвестно. Поэтому для определения

α можно воспользоваться раз-

личными методами.

Первый метод состоит в том, чтобы использовать два значения сопротив-

ления, измеренного при двух различных температурах. В соответствии с фор-

мулой (1), можно записать:

)1(

101

tRR

, (3)

)1(

202

tRR

. (4)

где R

– сопротивление проводника при температуре t

°C, R

– сопротивление

этого же проводника при температуре t

°C.

Решая систему (3) – (4), получим:

1221

tRtR

−

=α . (5)

Несмотря на кажущуюся простоту, этот метод не очень хорош, т.к. воз-

можные случайные ошибки при измерениях сопротивления и температуры мо-

гут дать значительную ошибку в определении

α.

Второй метод заключается в нахождении температурного коэффициента

сопротивления с помощью

графика зависимости сопро-

тивления проводника от тем-

пературы. Теоретическая за-

висимость должна иметь вид

прямой линии.

, Ом

, C

Рисунок 1

Температурный коэф-

фициент сопротивления

также рассчитывается по

формуле (4), но сопротивле-

ния R

и R

и соответствую-

щие им температуры t

и t

определяются из графика

R = f(t) (см. рис.1).

124

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Этот метод имеет существенные преимущества перед расчетным. При

построении графика можно легко обнаружить грубые ошибки и исключить их

влияние на результат.

Описание экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из нагревателя, внутрь которого

помещены исследуемые проводники; термометра для измерения температуры и

прибора для измерения сопротивления.

Схема установки представлена на рис. 2. На схеме обозначены:

1 – вольтметр универсальный В7-21А,

2 – нагреватель,

3 – переключатель,

4 – термометр.

B7-21A

Рисунок 2

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Какой график необходимо построить по результатам эксперимента? Нари-

суйте схематический график этой зависимости (по теории).

Запишите формулу, по которой Вы будете рассчитывать температурный ко-

эффициент сопротивления. Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

Ознакомиться с инструкцией к универсальному вольтметру.

Измерить сопротивление каждого из двух исследуемых проводников при

комнатной температуре.

Включить нагреватель и в процессе повышения температуры измерять со-

противление проводников с выбранным шагом (через каждые 5

°С−10°С) до

°С−70°С.

125

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Построить графики зависимости R = f(t) для каждого проводника.

Рассчитать температурный коэффициент сопротивления α по формуле (5)

для каждого проводника. Значения сопротивлений R

и R

и соответствую-

щие им температуры t

и t

определить из графиков R = f(t).

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

Что называется электрическим сопротивлением?

От чего зависит сопротивление проводника? Запишите формулу для расчета.

Как зависит электрическое сопротивление металлов от температуры? Запи-

шите формулу.

Дайте определение температурного коэффициента сопротивления.

Сравните полученный экспериментально график с теоретической зависимо-

стью. Сравните найденные значения температурных коэффициентов сопро-

тивления

, α

с табличными. Сделайте вывод.

126

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №46

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Проводник 1

°C

Ом

Проводник 2

°C

Ом

Дата________ Подпись преподавателя___________________

127

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

Лабораторная работа № 49

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ

И КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ИСТОЧНИКА ЭДС

ОТ СИЛЫ ТОКА

Цель работы – исследовать зависимость полезной мощности P, выделяю-

щейся во внешней электрической цепи, от силы тока I; исследовать зависи-

мость коэффициента полезного действия источника эдс от силы тока I.

Приборы и принадлежности:

источник эдс, амперметр, вольтметр, рео-

стат, выключатели.

Описание экспериментальной установки

Установка (рис. 1) состоит из источника эдс G1, вольтметра V, ампермет-

ра A, реостата R; ключей K1

и K2.

P 2

G 1

K 2

P 1

K 1

Рисунок 1

Общие положения

Полная мощность , развиваемая источником электрической энергии,

определяется формулой:

, (1)

где I – сила тока; ε – электродвижущая сила (эдс) источника электрической

энергии.

Полезная мощность P, выделяющаяся во внешней части электрической

цепи, определяется формулой:

, (2)

где U – напряжение на внешней части электрической цепи.

Коэффициент полезного действия

η (кпд) источника эдс определяется от-

ношением полезной мощности

P к полной мощности :

=η

. (3)

128

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

Подставив (1) и (2) в формулу (3), получим

=η

. (4)

Если потребителем электрической энергии служит однородный провод-

ник, то по закону Ома

= . Для замкнутой цепи, содержащей источник тока

(

)

rRI

, (5)

где R – электрическое сопротивление внешнего участка электрической цепи;

r – внутреннее сопротивление источника эдс.

Подставив записанные соотношения в формулу (4) и проведя преобразо-

вания, получим

=η

. (6)

Мощность, выделяемая на внешнем участке однородной электрической

цепи, определяется законом Джоуля

−Ленца:

. (7)

Используя (5), получим выражение для расчета полезной мощности

()

. (8)

С помощью формулы (8) можно получить значение R, при котором по-

лезная мощность достигает максимального значения. Приравнивая первую

производную мощности

Р по R к нулю и учитывая, что R и r всегда положи-

тельны, получим

R = r. Полезная мощность достигает максимального значения,

если сопротивление внешней электрической цепи равно внутреннему сопро-

тивлению источника электрической энергии эдс которого

ε:

max

Из анализа формулы (6) следует, что кпд в этом случае равен 0,5.

Зная максимальную полезную мощность и эдс ε, можно определить

внутреннее сопротивление источника:

max

. (9)

129

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

В чем состоит цель работы?

Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

Какие величины необходимо рассчитать в работе?

Запишите формулы, по которым рассчитываются полезная мощность,

полная мощность и кпд источника тока.

Какие графики надо построить по результатам эксперимента?

Выполнение работы

Собрать электрическую цепь по схеме (рис.1). Определить цену деления

вольтметра и амперметра.

Оставляя ключ K1 разомкнутым, замкнуть ключ K2 и записать показание

вольтметра. Показание вольтметра при разомкнутом выключателе K1 с

достаточной степенью точности можно считать равным значению эдс ис-

точника электрической энергии.

Введя полностью сопротивление R реостата, замкнуть ключ K1, записать

значения напряжения и силы тока.

Постепенно увеличивая ток в электрической цепи от минимального до

максимально допустимого значения, выполнить 9−11 измерений силы тока

и напряжения.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать полезную мощность Р по формуле (2).

Рассчитать коэффициент полезного действия η по формуле (4).

Построить графики зависимости полезной мощности P и кпд η источника от

силы тока I (можно в одной системе координат).

Используя график зависимости полезной мощности от силы тока

)

(

найти максимальное значение мощности.

Вычислить внутреннее сопротивление r источника по формуле (9).

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи. Запишите формулу.

При каком условии полезная мощность достигает максимального значения?

Используя полученные графики, определите коэффициент полезного

действия в тот момент, когда мощность достигает максимального значения.

Совпадает ли полученное значение с рассчитанным теоретически?

130