Лабораторна робота з фізики для 11 класу "Вимірювання температурного коефіцієнта опору металів" розроблена для рівня стандарт. Робота пропонується для використання у2019/2020 н. р.
Лабораторна робота № 4
Вимірювання температурного коефіцієнта опору металів
Мета роботи. Ознайомитися з вимірюванням опорів за допомогою містка Уітстона. Вимірявши за цим методом опір досліджуваного провідника при різних температурах, знайти його температурний коефіцієнт опору,
Обладнанн: 1) реохорд; 2) штепсельний магазин опорів на 10, 20, 20 і 50 ом; 3) акумулятор або гальванічний елемент; 4) дротяна котушка для вимірювання термічного коефіцієнта опору міді; 5) лабораторний міліамперметр; 6) обмежувальний резистор до міліамперметра; 7) металевий стакан з водою; 8) термометр з верхньою межею вимірювання 100° С і ціною поділки 1 град/под,.; 9) два ключі; 10) електроплитка; 11) з'єднувальні проводи; 12) штатив з муфтою і затискачем.
Теоретичні відомості
Опір металевих провідників з підвищенням температури збільшується, а із зниженням температури зменшується. Нехай R0 — опір досліджуваного провідника при 0° С. Після нагрівання провідника на t° опір його змінюється і буде Rt.. Тоді приріст опору при нагріванні на t°становитиме Rt — Rg, а при нагріванні на 1°C (Rt–R0)/_ t°. Одиниця опору провідник а збільшиться при цьому в (Rt–R0)/_R0 t° разів. Відносна зміна опору провідника при його нагріванні на один градус (від 0° до 1°C )називається температурним коефіцієнтом опору. Позначаючи його через α, матимемо:
α=(RtR0)/R0t°, (1)
звідки
Rt = R0(l + α t°). (2)
Вимірювання температурного коефіцієнта опору зводиться до вимірювання опорів провідника при двох будь-яких температурах, наприклад при t° і t°1. Нехай при цих температурах опори будуть відповідно Rt і R'. Застосовуючи формулу (1) для цих опорів, виключивши R0, визначимо температурний коефіцієнт опору:
(3)
Опис приладу і схеми
Для вимірювання термічного коефіцієнта опору мідного дроту використовують мідну емальовану дротину, намотану на каркас із картону і вставлену в скляну пробірку. Виводи обмотки закріплені на панельці під затискачами. Панелька, у якій є ще й отвір для технічного термометра, скріплена з пробіркою. Термометр уставляють у пробірку так, щоб його ртутний балон знаходився в середині котушки.
У роботі застосовують метод вимірювання опору, запропонований Уітстоном. Цей метод ґрунтується на законах розгалуженого кола і дає досить точні результати. Схему містка Уітстона подано на мал. Основна частина схеми — реохорд АВ, яким є тонка однорідна дротина, натягнута на дерев'яну підставку. Кінці дротини підведені до клем. По дротині ковзає контакт D, положення якого на дротині реохорда визначають за шкалою з міліметровими поділками (похибка нанесення шкали не перевищує ± 1 мм). Оскільки дротина реохорда однорідна по всій довжині, то опір її ділянок R1 і R2 згідно з формулою R= ρ дорівнює:
R1= ρ; R2= ρ
(4)
Джерело струму Е ввімкнено в коло так, що до його полюсів через ключ К1 і повзунок реохорда D приєднано дві вітки з різними опорами: в одній є магазин опорів опором R і опір R2 частини реохорда DB, у другій — досліджуваний опір Rx (котушка дроту) і опір R1 частини реохорда AD. До точок А і В ввімкнено гальванометр з резистором R3. Схема схожа на місток, звідси й назва згаданого вище методу вимірювання опору і схеми.
Переміщаючи повзунок реохорда, домагаються того, щоб при замкнутому ключі К1 стрілка гальванометра стояла на нулі. У цьому разі в точках А і В потенціали однакові — місток зрівноважений. Позначимо потенціали цих точок φ, потенціал точки С — φC,, а потенціал точки D — φD, силу струму у вітці CAD — І1, а у вітці CBD — I2. Тоді за законом Ома для ділянки кола одержимо:
а) φC - φ = I1Rx; в) φC - φ = I2Rx;
б) φ – φD = I1R1; г) ) φ – φD = I2R2
З рівності лівих частин виразів а) і в), б) і г) маємо:
I1Rx = I2R; I1R1= I2R2.
Поділивши першу рівність на другу, дістанемо:
=
.
Звідси
Rx= R
Беручи до уваги (4), одержимо:
Rx= R . (5)
Коли потенціали точок А і В неоднакові, то через гальванометр: може проходити значний струм (гальванометр зашкалюватиме). Для його обмеження ввімкнено резистор з опором R3.
Точність вимірювання опору методом містка буде найбільшою, коли повзунок реохорда міститься на середині реохорда. Точність вимірювання залежить також від є. р. с. джерела струму та чутливості покажчика рівноваги містка. Тому під час вимірювання підбирають такий опір магазину опорів, щоб повзунок стояв посередині реохорда, а покази гальванометра були близькі до нуля. Вимкнувши резистор R3 (замкнувши ключ К2), збільшують чутливість покажчика рівноваги містка і точніше встановлюють повзунок реохорда.
Примітка. Замість двох ключів Кг і К2 можна взяти спеціальний подвійний ключ, який дає змогу одним натисканням замкнути два електричні кола (спочатку коло джерела, а потім гальванометра). Ключ умикається на такий час, щоб помітити відхилення стрілки гальванометра. При цьому додатковий опір непотрібний.
Виконання роботи
Скласти електричне коло за схемою, поданою на мал., але, доки його не перевірить учитель, не вмикати джерела струму. Встановити повзунок посередині реохорда і увімкнути ключ К1. Підібрати такий опір магазину опорів, щоб через гальванометр проходив мінімальний струм. Замкнути ключ К2 і перемістити повзунок реохорда так, щоб стрілка гальванометра стояла на нульовій мітці шкали. Виміряти довжину обох частин (l1 і l2) дротини реохорда, R і t°. Потім поставити металевий стакан з водою на електроплитку. Через 8—10 хв. зняти стакан з електроплитки, опустити в нього пробірку з дротяною котушкою. Коли температура перестане змінюватися, добитися нульових показів гальванометра. Виміряти довжини плечей частин реохорда і температуру t°1.
Результати вимірювань записати в таблицю:
l1, м |
l2, м |
t° |
t°1 |
R1, ом |
R2, ом |
Rx , ом |
α |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Обробка результатів експерименту
1. Обчислити значення опору досліджуваного дроту при різних
температурах.
Вказівка. Похибками методу вимірювання (похибками внаслідок недостатньої чутливості гальванометра, незначної є. р. с. джерела струму) знехтувати, оскільки вони в цій роботі значно менші, ніж інструментальні похибки.
2. Обчислити температурний коефіцієнт опору, використавши
результати посередніх вимірювань Rt і R'.
Контрольні запитання
Експериментальна задача
Обчислити опір мідної котушки, яка використовується в роботі, при 0° С (за результатами вимірювань, що виконані в роботі).