ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ (посібник для 11 класу профільний рівень)
УПРАВЛІННЯ ОСВІТИ І НАУКИ ВИКОНКОМУ КРИВОРІЗЬКОЇ МІСЬКОЇ РАДИ
ВІДДІЛ ОСВІТИ ВИКОНКОМУ ТЕРНІВСЬКОЇ РАЙОННОЇ РАДИ
РАЙОННИЙ МЕТОДИЧНИЙ КАБІНЕТ
О.В.Сокотнюк
ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ
(посібник для 11 класу
профільний рівень)
Кривий Ріг – 2019
О. В. Сокотнюк
Лабораторні роботи : Навчальний посібник з фізики для 11 класу профільний рівень, основної школи . 2019рік. – 148 с.
Посібник містить опис і алгоритм виконання лабораторних робіт з фізики для 11 класу (профільний рівень), складених відповідно до чинної програми з фізики для 11-річної школи. Кожна робота містить перелік необхідного обладнання, теоретичні відомості та докладний опис послідовності дій. Контрольні питання та завдання дозволяють більш глибоко перевірити рівень засвоєння матеріалу, диференційовано підійти до оцінювання роботи і дають можливість учням творчо застосовувати набуті знання на практиці. Посібник містить достатню кількість таблиць для упорядкування поточних експериментальних вимірювань та обчислень. Практичні роботи №2 «Визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму» і №16 «Вивчення треків заряджених частинок за готовими фотографіями» мають декілька варіантів, що дає можливість учителю планувати експеримент залежно від обладнання кабінету фізики та рівня підготовки учнів.
Для учнів 11 класів загальноосвітніх навчальних закладів та вчителів фізики..
ЗМІСТ
Вступ 5
ПРАВИЛА З ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ 11
Критерії оцінювання навчальних досягнень
учнів під час виконання лабораторних робіт 13
ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ
ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН 14
Лабораторна робота № 1
Дослідження процессу розрядження
конденсатора та визначення його ємності 21
Лабораторна робота № 2
Визначення ЕРС і внутрішнього
опору джерела струму 30
Лабораторна робота № 2 ( 2 спосіб)
Визначення ЕРС і внутрішнього
опору джерела струму. 34
Лабораторна робота № 3
Вимірювання електричного опору
за допомогою містка Уітсона 37
Лабораторна робота № 4
Визначення температурного
коефіцієнта опору метала 47
Лабораторна робота № 5
Дослідження напівпровідникового діода 58
Лабораторна робота № 6
Визначення індуктивності котушок 67
Лабораторна робота № 7
Дослідження електричного колазмінного
струму з послідовним з'єднанням активного
опору і індуктивності 73
Лабораторна робота № 8
Дослідження електричного кола змінного
струму з послідовним з'єднанням
активного опору і конденсатора 77
Лабораторна робота № 9
Визначення абсолютного показника
заломлення скла 82
Лабораторна робота № 10
Визначення фокусної віддалі
збиральної та розсіювальної лінз 87
Лабораторна робота № 11
Дослідження оптичної системи
з двох реальних сферичних лінз 95
Лабораторна робота № 12
Спостереження явища інтерференції
та дифракції світла 105
Лабораторна робота № 13
Вимірювання довжини світлової
хвилі за допомогою дифракційної решітки 108
Лабораторна робота № 14
Дослідження явища поляризації світла 118
Лабораторна робота № 15
Моделювання радіоактивного розпаду 124
Лабораторна робота № 16
Дослідження треків заряджених
частинок за фотографіями 131
Лабораторна робота № 16 ( 2 спосіб)
Вивчення треків заряджених
частинок за готовими фотографіями 137
Список використаної літератури
та інтернетсайти 146
В С Т У П
Проблему розвитку мислення школярів не можна закривати засвоєнням розумових дій учня, оскільки вміння учня теоретично розмірковувати про певну систему дій ще не забезпечує вміння виконати ці ж дії реально. Завершальним етапом у розвитку розумових операцій учнів є не становлення розумової дії, а реалізація цієї дії в практичній діяльності. Тому навчання фізики передбачає залучення школярів до таких видів діяльності, які дозволяють використовувати набуті знання на практиці, зокрема, до виконання школярами лабораторних робіт.
Під лабораторними роботами розуміють таку організацію навчального фізичного експерименту, при якій кожен учень працює з приладами чи установками.
Дидактична роль лабораторних робіт надзвичайно велика. Сприймання при виконанні лабораторних робіт засновані на більшій і різноманітнішій кількості чуттєвих вражень і стають глибшими і повнішими порівняно із сприйманнями при спостереженні демонстраційного експерименту. При виконанні лабораторних робіт учні навчаються користуватись фізичними приладами як знаряддями експериментального пізнання, набувають навичок практичного характеру. У деяких випадках наукове трактування поняття стає можливим лише після безпосереднього ознайомлення учнів з явищами, що вимагає відтворення дослідів самими учнями, в тому числі й під час виконання лабораторних робіт. Виконання лабораторних робіт сприяє поглибленню знань учнів з певного розділу фізики, набуттю нових знань, ознайомленню з сучасною експериментальною технікою, розвитку логічного мислення.
Лабораторні роботи мають також важливе виховне значення, оскільки вони дисциплінують учнів, привчають їх до самостійної роботи, прищеплюють навички лабораторної культури.
Кількість і тематика лабораторних робіт з кожної теми шкільного курсу фізики визначається навчальною програмою. При цьому передбачається, що в разі необхідності (відсутність необхідного обладнання чи умов) вказані роботи можна замінити рівноцінними їм роботами. Для виконання лабораторних робіт передбачається використання спеціальних (лабораторних) приладів.
Підготовка до виконання лабораторних робіт розпочинається із створення відповідної матеріальної бази - підбору необхідних для виконання роботи приладів з таким розрахунком, щоб з одним набором працювало 2 - 4 учні.
Напередодні виконання лабораторної роботи вчитель повідомляє учням тему роботи та обсяг матеріалу, який необхідно повторити для її виконання.
Заняття розпочинається із вступного слова вчителя та відповідного інструктажу щодо виконання роботи (залежно від вибраного методу виконання інструктаж носитиме різний характер та обсяг розглядуваних питань). Учитель проводить також короткий інструктаж учнів з техніки безпеки при виконанні даної роботи та робить відповідні записи в "Журнал інструктажу з техніки безпеки", який міститься в кабінеті фізики.
Учні записують у зошитах дату, номер і тему лабораторної роботи, список приладів і матеріалів, креслять таблицю результатів вимірювань та обчислень.
Експериментальну частину завдання учні виконують самостійно під контролем учителя. У разі необхідності вчитель надає учням допомогу, звертає їх увагу на прийоми правильної роботи з приладами, відмічає порушення правил техніки безпеки. Учитель фіксує також якість та самостійність виконання роботи кожним учнем.
Результати роботи заносяться в зошит, де проводиться їх обробка та записується відповідний висновок (чи отримане значення фізичної величини).
Оцінка за лабораторну роботу виставляється на основі заміток вчителя та перевірки звіту учня. Ця оцінка заноситься в класний журнал.
Широкі можливості при виконанні лабораторного експерименту з фізики має використання комп'ютерної техніки на різних етапах цієї роботи. Використання комп'ютера дозволяє графічно подати будь-яку математичну функцію (залежність між певними фізичними величинами), моделювати фізичні процеси, складні фізичні та технологічні установки, розглядати фізичні процеси в динаміці. Застосування аналого-цифрових перетворювачів дає можливість використовувати комп'ютер під час виконання лабораторних робіт для вимірювання фізичних величин та графічної інтерпретації протікання фізичних процесів. Застосування електронно-обчислювальної техніки під час обробки результатів експерименту дозволяє уникнути великих затрат навчального часу на виконання одноманітних обчислень та збільшити частку творчої роботи школярів.
Поряд із тим, використовуючи комп'ютер у лабораторному експерименті, слід пам'ятати, що моделювання фізичних процесів на комп'ютері мало сприяє формуванню в школярів експериментаторських умінь та навичок. Адже комп'ютер лише моделює фізичний експеримент, а модель ніколи не може подати вичерпні відомості про явище. Тому використання комп'ютера в лабораторному експерименті повинне доповнювати, але не підмінювати його. Учні повинні вміти працювати з реальними фізичними приладами, збирати експериментальні установки, користуватись вимірювальними приладами. Моделювання ж різноманітних ситуацій, наприклад під час роботи "конструкторами електричних кіл" та іншими аналогічними комп'ютерними програмами, дозволить швидше пізнати закономірності тих чи інших процесів і явищ.
Лабораторні роботи є важливою складово частиною навчального процесу, найефективнішою формою пізнавальної діяльності учнів, оскільки він дає можливість особисто відтворювати і спостерігати більшість явищ, що вивчаються у
фізиці, самостійно перевіряти на досліді фізичні
закономірності та наслідки з них, а також знайомитися з принципом дії та будовою основних електровимірювальних приладів і найважливішими методами фізичного експерименту.
Лабораторні роботи прищеплюють навички самостійної дослідницької роботи і технічно грамотного вимірювання фізичних величин, а також унаочнює, поглиблює, розширює і
обґрунтовує теоретичний курс предмета. Унаслідок цього здійснюється один з важливих етапів навчання – поєднання теорії з практикою.
У цьому навчальному посібнику подано опис лабораторних робіт з електрики і магнетизму, оптики та атомної фізики
.
Опис кожної лабораторної роботи включає мету, перелік обладнання, теоретичні відомості, схему установки для проведення експерименту і порядок його виконання, контрольні запитання та рекомендації вчителю.
Приступаючи до виконання кожного завдання, студент має ознайомитися з метою і порядком виконання лабораторної
роботи за матеріалами посібника, вивчити відповідні розділи рекомендованої навчальної літератури .
ПРАВИЛА З ТЕХНІКИ БЕЗПЕКИ
Тіло людини є провідником, опір якого змінюється в широких межах залежно від ряду факторів. Вологість, забруднення шкіри та інші фактори зменшують його опір. Якщо сила струму більша за 0,05 А, то його дія на тіло
людини протягом 0,1 с може спричинити небезпечне ураження.
Оскільки сила струму залежить від напруги і опору, то за правилами техніки безпеки напруга, більша за 24 В, вважається небезпечною.
Неправильні з'єднання в схемі можуть призводити до виведення з ладу приладів, травматизму й ураження струмом. Тільки за дотримання вимог правил техніки безпеки можна
запобігти цим неприємним явищам.
Наведемо основні правила техніки безпеки.
1. До роботи в лабораторії допускаються лише учні, які ознайомились із правилами техніки безпеки. Учні розписуються в журналі обліку проведення інструктажу і несуть відповідальність за їх виконання.
2. Не можна самостійно робити будь-які вмикання або
вимикання на головному щиті.
3. Складати коло за схемою можна тільки при вимкненій напрузі.
4. Вмикати струм у складене коло можна тільки після
перевірки схеми викладачем або лаборантом та отримання їхнього дозволу.
5. Не можна доторкатися до неізольованих частин
електричної схеми, які перебувають під напругою (проводи, вимикачі, затискачі, повзунки тощо).
6. Забороняється виконувати будь-які перемикання в
схемі під напругою.
7. Не можна залишати без нагляду схему, що знаходиться під напругою.
8. Забороняється закорочувати блокувальні пристрої.
9. Не дозволяється без потреби ходити по лабораторії та виконувати інші лабораторні роботи.
10. Якщо з вами або з вашим товаришем трапився
нещасний випадок, слід негайно вимкнути джерело струму, повідомити викладача, подати потерпілому першу допомогу, одночасно викликавши швидку медичну допомогу.
Критерії оцінювання навчальних досягнень учнів під час виконання лабораторних робіт
ПОХИБКИ ВИМІРЮВАНЬ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН
Виміряти якусь фізичну величину – означає порівняти її з іншою однорідною величиною, яку умовно прийнято за одиницю вимірювання. Розрізняють прямі й непрямі вимірювання фізичних величин.
Прямі вимірювання – це такі, коли шукана величина визначається безпосередньо за допомогою технічного пристрою. Наприклад, вимірювання маси тіла зважуванням на аналітичних терезах, часу – секундоміром, температури – термометром, сили струму – амперметром тощо.
Непрямі вимірювання – це такі, коли результат знаходять з прямих вимірювань інших величин, що пов'язані з шуканою величиною відомою функціональною залежністю. Наприклад, вимірювання густини речовини – за вимірюванням
маси тіла і його геометричних розмірів, опору провідника – за вимірюванням напруги на його кінцях та сили струму, що тече по ньому.
Через недосконалість органів чуття людини та
технічних засобів при проведенні фізичних вимірювань дістають лише наближені значення шуканих величин. Слід пам'ятати, що немає жодної величини, яку можна було б виміряти абсолютно точно. Тому завдання полягає не лише у
визначенні числового значення фізичної величини, але й в оцінці точності та надійності вимірювання.
Точність вимірювань визначається точністю приладів, що їх для цього використовують, а також точністю методу вимірювання. Надійність вимірювань (довірча ймовірність) характеризує ймовірність того, що істинне значення перебуває у певних границях, які визначаються довірчим інтервалом, її
визначення вимагає знайомства з методами математичної статистики.
Точність вимірювання тієї чи іншої фізичної величини пов'язана з похибками вимірювань. Похибки вимірювань прийнято поділяти на систематичні, випадкові та промахи.
До систематичних похибок належать такі, що
залишаються однаковими за фіксованих умов досліду, тобто коли вимірювання проводять тим самим методом і тими самими приладами. Причини їх виникнення можуть бути найрізноманітнішими.
Систематичні похибки можна поділити на чотири групи:
1. похибки відомого походження, які можна визначити експериментально або шляхом обчислень. їх називають поправками. До таких похибок належить,
наприклад, урахування архімедової сили при
визначенні маси тіла шляхом зважування, урахування впливу температури при визначенні лінійних розмірів досліджуваного тіла;
2. похибки відомого походження, але невідомої величини. До них належать похибки приладів, їх поява пов'язана з недосконалістю виготовлення приладів, залежністю їхніх показників від зовнішніх умов.
Похибки цього виду визначаються класом точності приладу. Якщо клас точності приладу 1.0, то це означає, що покази приладу відрізняються від істинного значення не більше ніж на 1% від діючої шкали приладу;
3. похибки невідомого походження та невідомої
величини. Це найнебезпечніша група систематичних
похибок, оскільки про їхнє існування ми можемо навіть не здогадуватися, а вони можуть бути вагомими.
Найчастіше такі похибки виникають через
непередбачливість експериментатора, який не виявив
усіх факторів, що заважають вимірюванням;
4. похибки, обумовлені наближеним характером методу вимірювань або обчислень. До таких похибок
призводить, наприклад, нехтування опором
з'єднувальних провідників, силами тертя тощо.
При виконанні лабораторних робіт припускатимемо, що систематичні похибки визначаються лише похибкою приладу, а вона не перевищує деяке максимальне значення
max . Якщо відсутні спеціальні вказівки у паспорті приладу, то за max беруть половину ціни найменшої поділки шкали приладу.
Крім систематичних, існують випадкові похибки, які мають несистематичний, ймовірнісний характер. Вони відрізняються від перших насамперед тим, що набувають різних значень в окремих вимірюваннях, які проводяться за однакових умов. Ці похибки викривляють результати в одних
випадках, завищуючи його, а в інших – занижуючи. Як це не парадоксально, але саме ймовірнісний
характер випадкових похибок дозволяє, якщо не виключити їх, то помітно послабити дію на результат вимірювань.
Виконавши ряд вимірювань, можна, користуючись теорією випадкових похибок, яка побудована за законами теорії
ймовірностей, визначити найбільш ймовірне значення
вимірюваної величини, провести кількісну оцінку випадкової похибки, вказати її ймовірність.
Нехай дійсне значення вимірюваної фізичної величини X, а результати окремих вимірювань за шкалою приладу x1, x2, , xi. Величина xi xi X є похибкою і-того вимірювання.
Оскільки нам невідомо значення X, то
залишаються невідомими і значення xi . Проте можна стверджувати, що
1)похибки xi можуть набувати неперервний ряд значень;
2)похибка xi може бути представлена як сума
систематичної похибки c , яка є однаковою для всіх
вимірювань, та випадкової похибки i , яка для різних
вимірювань різна;
3)великі (за абсолютною величиною) випадкові похибки зустрічаються рідше, ніж малі;
4)при великому числі вимірювань випадкові похибки
однакової величини, але різні за знаком, зустрічаються
однаково часто.
У силу останнього твердження при досить великому числі вимінювань n (точно кажучи, n ) середня випадкова похибка прямує до нуля при необмеженому зростанні
числа вимірювань:
Як випливає з математичної статистики, за цих умов найкращою числовою оцінкою величини Х є середнє арифметичне з вимірювань:
яку називають вибірковим середнім
Обчислення похибок
Процес будь – якого вимірювання тільки тоді вважається повністю закінченим, коли визначено абсолютну і відносну похибки результату вимірювання.
Абсолютною похибкою називають різницю між результатом вимірювання хвим та істинним значенням вимірюваної величини х:
.
Абсолютна похибка Δ дає можливість назвати інтервал, всередині якого лежить справжнє значення вимірюваної величини. Довжина цього інтервалу дорівнює 2Δ. Абсолютна похибка показує, на скільки справжнє числове значення вимірюваної величини може відрізнятися від результату вимірювання.
Якість вимірювання характеризує відносна похибка , яка показує, у скільки разів модуль абсолютної похибки менший за вимірювану величину хвим.
В процесі вимірювання невідома величина має лежати в інтервалі 
, а результат вимірювання хвим можна взяти за справжнє значення з відносною похибкою .
Округлюють результат вимірювання за таким правилом: похибку округлюють до однієї значущої цифри з перевищенням, а результат вимірювання – до кількості цифр, що не перевищують тієї, з якою записано похибку.
Формули для обчислення похибок вимірювань
|
Вид функції |
Абсолютна похибка |
Відносна похибка |
|
f = x + y |
Δf = Δ x + Δ y |
|
|
f = x - y |
Δf = Δ x + Δ y |
|
|
f = x ∙ y |
Δf = Δ x ∙ y+ x ∙ Δ y |
|
|
|
|
|
|
f = xn |
Δf = n ∙ xn-1 ∙ Δ x |
|
|
|
|
|
Лабораторна робота № 1
Дослідження процесу розрядження конденсатора
та визначення його ємності
Мета роботи: Одержати експериментально залежність сили струму розряджання конденсатора від часу. Обчислити заряд конденсатора та його ємність.
Обладнання: Електролітичний конденсатор ємністю 1000 – 2000 мкФ, розрахований на напругу 25 – 50 В, джерело постійного струму (батарея гальванічних елементів чи лабораторний випрямляч), два мультиметра типу DT830B, резистор 20 – 50 кОм, вимикач,секундомір, з’єднувальні провідники.
Теоретичні відомості
Ємність конденсатора можна обчислити за формулою
C qU.
Напругу на конденсаторі вимірюють вольтметром, а заряд визначають, побудувавши графік залежності струму розряджання конденсатора від часу. Цей графік має вид,подібний до зображеного на рис. 1. Площа, обмежена графіком і осями координат, чисельно дорівнює заряду, який віддав конденсатор при розряджанні.
Щоб обчислити заряд, спочатку визначають, якому заряду відповідає площа однієї клітинки.
На рис. 1 вона дорівнює
q0 = 10∙10-6 А ∙ 10 с = 10-4 Кл.
Потім підраховують кількість цілих клітинок n і нецілих клітинок k; вважають, що площа під кривою дорівнює (n + ½∙k) клітинок. Заряд конденсатора
дорівнює q = q0∙(n + ½∙k).
Опис схеми для вимірювання
Схема установки зображена на рис. 2. Вона складається з джерела струму GB1, конденсатора C1, резистора R1, вимикача SA1, вольтметра і амперметра.
Як вольтметр використовується мультиметр в
режимі вольтметра (межа 20 В), а як мікроамперметр – теж мультиметр в режимі мікроамперметра (межа 200 мкА). Для батареї з е.р.с. 3,2 В опір резистора R1 дорівнює 20 кОм. Конденсатор С1 – це електролітичний конденсатор ємністю від 1000 до 2000 мкФ, розрахований на напругу 25 В або більше.
На рис. 3 зображена монтажна схема установки.
Хід роботи
- Складіть коло за схемою рис. 3. Після перевірки
кола викладачем замкніть вимикач. Конденсатор практично миттєво заряджається до напруги джерела і мікроамперметр показує струм, який проходить через резистор. Запишіть
у зошит покази вольтметра і мікроамперметра.
2. Приготуйте для вмикання секундомір, перевірте його роботу. Приготуйте зошит для запису результатів. Записи доведеться робити швидко, кожні 10 с записувати покази мікроамперметра. 10
3. Одночасно запустіть секундомір і розімкніть вимикач SA1. Почнеться розрядка конденсатора і секундомір почне відлік часу.
4. В момент, коли на секундомірі з'являться покази „10 с” швидко переведіть погляд на мультиметр і запам'ятайте та запишіть його покази. Можливо
спочатку доведеться трохи потренуватись виконувати цю вправу; від точності записів буде залежати кінцевий результат.
5. Пункт 4 треба виконувати кожні 10 секунд на протязі трьох хвилин. Ви одержите 19 значень сили струму розрядки конденсатора. Конденсатор ще
буде розряджатись дві-три хвилини, але струм розрядки буде 2 – 3 мА іі записи вести вже не треба.
6. Знову замкніть вимикач SA1 і повторіть вимірювання струму розрядки (пункти 3 – 5).
7. Якщо результати обох вимірювань мало відрізняються один від одного, то на
цьому експериментальна частина роботи закінчується. Розберіть електричне коло і вимкніть мультиметри.
8. З двох значень струмів знайдіть середнє арифметичне і оформіть результат у
вигляді таблиці, подібної до зображеної нижче.
|
Час t, с |
0 |
10 |
20 |
30 |
40 |
50 |
60 |
70 |
80 |
|
Струм І, ∙10-6 А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Час t, с |
90 |
100 |
110 |
120 |
130 |
140 |
150 |
160 |
170 |
|
Струм І, ∙10-6 А |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
9. За даними таблиці побудуйте графік залежності струму розряджання конденсатора від часу. Електронні таблиці Excel значно полегшать вашу
роботу.
10. Обчисліть заряд конденсатора, як було сказано в теоретичних відомостях.
11. Знаючи напругу і заряд, визначте ємність конденсатора в мікрофарадах. Порівняйте одержане значення з ємністю, вказаною на конденсаторі. Зробіть висновок.
Контрольні запитання
1. Що називають електроємністю і в яких одиницях вона вимірюється?
2. Як змінюється струм під час зарядки і розрядки конденсатора?
3. Як впливатиме на час заряджання і розряджання конденсатора зміна напруги джерела, зміна опору резистора?
4. На яку енергію перетворюється енергія зарядженого конденсатора під час його розряджання?
Рекомендації для вчителя
Параметри установки для вивчення процесу розряджання конденсатора треба вибирати таким чином, щоб час релаксації τ був у межах 20 – 50 с.
Нагадаємо, що час релаксації – це час, через який напруга на обкладках конденсатора (і струм розрядки) зменшиться в е раз (е ≈ 2,72). Він дорівнює
добутку опору на ємність: τ = R∙C.
Вибір резистора визначається напругою джерела живлення і межею вимірювання мікроамперметра. Для мультиметра на межі 200 мкА і батареї з двох гальванічних елементів (е.р.с. 3,2 В) підійде резистор з опором 20 кОм.
Для конденсатора з ємністю 1000 мкФ τ = 20 с і зачас 100 с струм зменшується до одиниць мкА, коли вимірювання вже слід припинити.
Електролітичні конденсатори мають, на жаль, значні струми витоку, тому залежність струму розрядки від часу буде не точно експоненціальною. В звязку з цим після обчислення ємності ми лише вказуємо на те, що ємність електролітичного конденсатора може значно відхилятися від номіналу, вказаного на корпусі конденсатора (від -20 % до + 80 %)
Графік побудовано за таблицею, наведеною в тексті лабораторної роботи.
І0= 156∙10-6 А,
= 57*10 -6 А,
Цій точці відповідає час τ ≈ 55 с. Ємність
конденсатора
що непогано співпадає зі значенням, вказаним на корпусі конденсатора. На рис 4 в правому
нижньому кутку написане рівняння лінії тренда в припущенні експоненціальної апроксимації. Це рівняння має вид
і С = 2980 мкФ.
Заряд, обчислений методом «палетки», дорівнює 87∙10-4 Кл. Напруга на конденсаторі в початковий момент часу дорівнює 3,2 В. Ємність конденсатора:
В якості додаткового завдання можна запропонувати обчислити енергію конденсатора за формулою
Лабораторна робота № 2
Визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму.
Мета роботи: закріпити знання про закон Ома для повного кола; оволодіти методом визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела через вимірювання сили струму і напруги.
Обладнання: лабораторний вольтметр, лабораторний амперметр, магазин опорів, вимикач, лабораторне джерело струму.
Теоретичні відомості
За законом Ома в повному колі ЕРС дорівнює сумі всіх спадів напруги на внутрішній і зовнішній ділянках кола
ε = Uзовн + Uвн.
Якщо врахувати закон Ома для ділянки кола, то — Uзовн.= І ·Rзовн., a Uвн = / · r,
де r — внутрішній опір джерела струму.
Отже, ε = I Rзовн + Ir.
У цьому рівнянні дdа невідомих, а тому для їх знаходження за правилами алгебри потрібно щонайменше два рівняння, в які входять ці невідомі.
Для отримання таких двох рівнянь проведемо дослідження експериментального кола за двома етапами.
1) Складемо електричне коло, в яке входять джерела струму, амперметр, вимикач і магазин опорів, у якому відомі значення всіх опорів, що до нього входять. Оберемо деяке середнє значення опору R1 і замкнемо коло. Стрілка амперметра покаже деяке значення сили струму I1. Тоді
ε = I1R1 + І1r.
2) Повторимо дослід, замінивши резистор у магазині опорів на деяке значення R2. Для цього випадку
ε = I2R2 + І2r.
Розв’язавши сумісно два рівняння, матимемо:
Підставивши значення r в одне із рівнянь, матимемо значення ЕРС:
або 
Хід роботи
1. Накреслимо послідовне коло з джерела струму, амперметра, магазина опорів і вимикача.
2. За накресленою схемою складемо електричне коло.
3. У магазині опорів увімкнемо резистор опором 2 Ом.
4. Замкнемо коло і знімемо показання, амперметра І1.
5. Увімкнемо резистор в магазині опорів на 5 Ом.
6. Замкнемо коло і знімемо покази амперметра І2.
7. Результати вимірювань занесемо до таблиці.
8. Знайдемо значення ЕРС і внутрішній опір джерела.
9. За розімкнутого кола виміряємо напругу U на клемах джерела.
10. Розрахувати відносну похибку вимірювань, скориставшись співвідношенням .
Контрольні запитання
1. Який фізичний зміст ЕРС?
2. Сформулюйте закон Ома для ділянки кола в інтегральній та диференціальній формі та закон Ома для повного кола.
3. Дайте означення вольта.
4. Що таке “коротке замикання”?
5. Яка швидкість струму у провіднику?
6. Яка швидкість напрямленого руху електронів у провіднику при проходженні в ньому струму?
Лабораторна робота № 2 ( 2 спосіб)
Визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела струму.
Мета роботи: закріпити знання про закон Ома для повного кола; оволодіти методом визначення ЕРС і внутрішнього опору джерела через вимірювання сили струму і напруги.
Обладнання: лабораторний вольтметр, лабораторний амперметр, магазин опорів, вимикач, лабораторне джерело струму.
ХІД РОБОТИ
1.Зберіть електричне коло, у якому реостат приєднаний через ключ до джерела струму, амперметр вимірює силу струму в колі, а вольтметр — напругу на полюсах джерела струму.
2.За допомогою повзунка реостата встановіть максимальний опір реостата. Замкніть ключ, занесіть у таблицю в зошиті для лабораторних робіт показання приладів.
3.Пересуваючи потроху повзунка реостата, занесіть у таблицю показання приладів, які відповідають меншим значенням опору реостата.
|
№ досліду |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
І, А |
|
|
|
|
|
|
|
U, В |
|
|
|
|
|
|
4.Накресліть систему координат: на осі абсцис відкладайте значення сили струму І, на осі ординат — значення напруги U. Позначте точки, які відповідають результатам ваших вимірів.
5.Отримані точки повинні лежати поблизу однієї прямої. Проведіть цю пряму так, щоб якнайбільше отриманих точок лежали на прямій або дуже близько від неї. Якщо це вдалося зробити, то дослід підтверджує лінійний зв’язок між силою струму й напругою.
6.Продовжте пряму до перетинання з осями координат. Координата точки перетинання з віссю ординат відповідає ЕРС 
джерела струму. Координата точки перетинання з віссю абсцис — силі струму короткого замикання 
7.Запишіть отримані значення:
________________ , 
___________________ .
Визначте внутрішній опір джерела струму:
______________________________________ .
8.Запишіть у зошиті для лабораторних робіт висновок: що ви вимірювали і який отримали результат.
Рекомендації для вчителя
|
№ п/п |
Сила струму, А |
Опір зовнішнього кола, Ом |
Внутрішній опір, Ом |
|
1 |
1,2 |
2 |
. 1,0 |
|
2 |
0,6 |
5 |
1,0 |
|
№ п/п |
ЕРС1 джерела, В |
ЕРС2 джерела, В |
Напруга на клемах джерела, В |
|
1 |
3,6 |
3,6 |
3,6 |
|
2 |
3,6 |
3,6 |
3,6 |
ε1 = 2 · 1,2 + 1,2 · 1 = 2,4 + 1,2 = 3,6 (В
ε2 = 5 · 0,6 + 0,6 · 1 = 3 + 0,6 = 3,6 (В)
Лабораторна робота № 3
Вимірювання електричного опору за допомогою містка Уітсона
Мета роботи:Визначити опір провідника за допомогою містка постійного струму (Уітстона).
Прилади та матеріали: Магазин опорів, гальванометр, реохорд, невідомий опір, джерело струму.
Теоретичні відомості
Опір провідника можна виміряти різними методами. Одним з найпростіших і найточніших методів є метод визначення опору провідників за допомогою містка постійного струму (Уітстона).
Стум, що йде від джерела напруги 
, розгалужується між точками 
і 
на дві вітки: 
і 
. Оскільки потенціали початків і кінців віток відповідно рівні між собою, а в міру віддалення від точки в кожній з цих віток потенціал поступово зменшується, то завжди можна на цих вітках знайти такі дві точки, наприклад 
і 
, потенціали яких будуть однакові, і гальванометр, увімкнутий між цими точ-ками, не покаже струму. Цей гальванометр з провідниками, що сполучають його з точками і , при відсутності струму і є містком між двома точками однакового потенціалу.
За першим правилом Кірхгофа складаємо рівняння для вузлів , і :
Складаємо рівняння за другим правилом Кірхгофа:
Оскільки через гальванометр струм при вимірюванні опору провідників встановлюється рівним 0, то, з урахуванням всього вищесказаного, маємо:
Розв’язуючи цю систему, отримаємо:
Коли вітка є однорідна прокалібрована дротина, то відношення 
можна замінити відношенням довжин відповідних відрізків дроту 
і 
. Отже:
де 
- довжина дроту , 
- довжина дроту 
Відносна похибка вимірювань:
Ця похибка буде мінімальною, коли при нульовому струмі через гальванометр двигуном стоятиме посередині реохорду 
.
Задані величини:
= 11 под. - верхня межа поділок реохорду.
Фізичні величини, які вимірюються прямим способом:
- довжина дроту ;
- опір із магазину опорів.
Хід роботи
- Скласти електричне коло відповідно до схеми увімкнувши замість Rx один з запропонованих резисторів.
-
Установити показник реохорду D приблизно посередині колової шкали і за допомогою магазину опору підібрати такий опір Rm , щоб при замиканні кола ключем К відхилення стрілки гальванометра було найменшим, а потім, обертаючи показник шкали реохорда, домагаються, щоб стрілка гальванометра встановилась на поділці 0. За шкалою реохорду визначити величини
і 
(
, де 
- довжина реохорда ). Вимірювання провести тричі/ Результати вимірювань та розрахунків записати у таблицю.
- Аналогічні вимірювання провести для інших невідомих резисторів. Вимірювання кожного з невідомих резисторів слід провести тричі.
- Визначити похибки вимірювань
Таблиці результатів вимірювань(величини, розмірності похибок прямих вимірювань):
|
№ резистора |
№ досліду |
|
|
|
|
вим |
мож |
|
І |
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сер. значення |
|
|
|
||||
|
ІІ |
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сер. значення |
|
|
|
||||
|
ІІІ |
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сер. значення |
|
|
|
||||
|
IV |
|
||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
Сер. значення |
|
|
|
||||
Контрольні запитання
1. Сформулювати і записати закон Ома для повного кола, неоднорідної та однорідної ділянки кола.
2. Сформулювати правила Кірхгофа і записати їх для містка Уітстона.
3. Чому відношення опорів плечей реохорда можна замінити відношенням довжин відрізків дротини реохорда?
4. Що називають питомою електропровідністю провідника?
5. Що таке електричний струм? Сформулюйте умови існування електричного струму.
6. Яку перевагу має метод вимірювання опору містком Уітстона в порівнянні з методом амперметра і вольтметра?
Рекомендації для вчителя
Таблиці результатів вимірювань(величини, розмірності похибок прямих вимірювань):
|
№ резистора |
№ досліду |
|
|
|
|
|
|
|
І |
|
||||||
|
|
1 |
1000 |
5,7 |
1075 |
8 |
0,7% |
27,7% |
|
2 |
1500 |
4,5 |
1038 |
29 |
2,8% |
26,5% |
|
|
3 |
700 |
6,7 |
1091 |
24 |
2,2% |
30,8% |
|
|
Сер. значення |
|
1067 |
|
||||
|
ІІ |
|
||||||
|
|
1 |
700 |
5,6 |
726 |
30 |
4,1% |
27,5% |
|
2 |
1200 |
4,2 |
741 |
15 |
2,0% |
26,7% |
|
|
3 |
300 |
8,0 |
800 |
44 |
5,5% |
39,8% |
|
|
Сер. значення |
|
756 |
|
||||
|
ІІІ |
|
||||||
|
|
1 |
200 |
8,0 |
533 |
56 |
10,5% |
39,8% |
|
2 |
500 |
5,2 |
448 |
29 |
6,5% |
37,0% |
|
|
3 |
1200 |
3,0 |
450 |
27 |
6,0% |
29,2% |
|
|
Сер. значення |
|
477 |
|
||||
|
IV |
|
||||||
|
|
1 |
700 |
3,1 |
275 |
29 |
10,5% |
28,9% |
|
2 |
200 |
6,9 |
337 |
33 |
9,8% |
31,9% |
|
|
3 |
300 |
5,5 |
300 |
4 |
1,3% |
27,4% |
|
|
Сер. значення |
|
304 |
|
||||
Обчислення шуканої величини за робочою формулою:
Обчислення похибок:
Запис кінцевого результату:
Визначені опори:
- (1067±29) Ом.
- (756±44) Ом.
- (477±56) Ом.
- (304±33) Ом.
Аналіз результатів та висновки:
На даній лабораторній роботі я визначив невідомі опори провідників, використовуючи місток постійного струму (Уітстона).
Результати дослідів підтвердили твердження про те, що похибка буде найменшою тоді, коли двигунок стоятиме посередині реохорду.
Лабораторна робота № 4
Визначення температурного коефіцієнта опору метала
Мета роботи: Експериментально показати, що залежність опору металів від температури є лінійною.
Визначити термічний коефіцієнт опору міді.
Обладнання: Прилад для визначення термічного коефіцієнту опору металу, мультиметр типу DT830B, термометр лабораторний з довгим
(15 – 16 см) кінцем для занурення в пробірку, штатив універсальний з тримачем, колба з водою, електроплитка.
Теоретичні відомості і опис установки.
Залежність опору металевих провідників від температури при невеликих змінах температури можна вважати лінійною:
R = R0 (1 + α∙t).
R0 – це опір провідника при температурі 0°С, α – температурний коефіцієнт опору:
Для визначення температурного коефіцієнта опору металу треба виміряти значення опору провідника при температурі 0°С та при
температурі t°C, більшій 0°С. Не завжди є можливість виміряти опір провідника при 0°С,
але якщо виміряти опір при різних температурах і побудувати графік залежності R (t), то за графіком можна визначити R0 і обчислити α.
Прилад для визначення температурного коефіцієнта опору міді (рис. 1) складається з котушки 1, намотаної мідним ізольованим дротом на картонному каркасі. Кінці дроту виведені до затискачів 2, які встановлені на пластмасовій
колодці 3. У цій же колодці закріплено скляну пробірку 4, в яку вставлено каркас котушки. Зверху в колодці є отвір 5 для термометра, який вимірює
температуру котушки. Опір дроту вимірюється мультиметром типу DT830B.
Зовнішній вигляд установки для вимірювань зображено на рис. 2.
Хід роботи
1. Прилад для визначення термічного коефіцієнту опору міді закріпіть в лапці штативу. На металеву основу штативу поставте електроплитку, а на неї – колбу з водою. Опустіть в колбу з водою пробірку приладу, приєднайте до його затискачів мультиметр і в отвір колодки вставте термометр (рис. 2).
2. Якщо покази термометра не змінюються (так буде, якщо вода мала кімнатну температуру), то увімкніть мультиметр в режимі вимірювання опору
(межа 200 Ом), і запишіть покази термометра і мультиметра. Якщо вода мала температуру, що відрізнялась від кімнатної, то доведеться дочекатись
встановлення теплової рівноваги, при якій покази практично не змінюються. Після закінчення вимірювань вимкніть мультиметр.
3. Увімкніть електроплитку в мережу і нагрівайте воду в колбі до температури 70° – 80°С (значення температури уточніть у викладача), після
чого плитку вимкніть. За рахунок теплової інерції вода в колбі буде продовжувати нагріватись.
4. Коли температура вже не буде збільшуватись, увімкніть мультиметр і знову запишіть значення температури і опору. Вимкніть мультиметр.
5. Охолодження колби з водою відбувається надто повільно. Для прискорення вимірювань рекомендується наступне. Пробірку з приладом
вийміть з колби і закріпіть на штативі. Плитку приберіть в безпечне місце
(Обережно! Стережіться опіків.) Колбу з гарячою водою поставте на основу штативу і опустіть в неї пробірку з приладом.
6. З допомогою шприца з трубкою надберіть 40 – 50 мл гарячої води і долийте шприцом в колбу стільки ж холодної води. Дочекайтесь встановлення
теплової рівноваги, увімкніть мультиметр і запишіть значення температури і опору дроту.
7. Повторіть пункт 6 три – чотири рази. Ви повинні одержати п’ять – шість пар значень температура – опір.
8. Результати вимірювань зручно оформити у вигляді таблиці, подібної до зображеної нижче:
|
t, °C |
|
|
|
|
|
|
|
|
R, Ом |
|
|
|
|
|
|
|
9. За даними досліду побудуйте графік залежності опору дроту від його температури. По вертикалі відкладайте опір, по горизонталі – температуру.
Нанесіть експериментальні точки і проведіть пряму, що найкраще «вписується» в експериментальні точки.
Значну допомогу в побудові графіка дадуть електронні таблиці Microsoft Excel. Відкривши електронні таблиці, в комірки А1 – А7 запишіть значення температури, в комірки В1 – В7 – значення опору. Наведіть курсор на комірку А1, натисніть ліву кнопку миші і, не відпускаючи кнопки, виділіть обидва стовпці. На закладці «Вставка» виберіть «Диаграммы – Точечная – Точечная с
маркерами». На листі з’явиться діаграма. На правому полі надпис «Ряд 1» видаліть (клацніть лівою кнопкою миші на надпису і натисніть «Delete»).
Наведіть курсор на одну з точок ряду даних, клацніть правою кнопкою миші і виберіть «Добавить линию тренда». Відкриється вікно «Формат линии тренда».
Повинна бути обрана лінійна апроксимація. Поставте галочку «Показывать уравнение на диаграмме». Можна також додати «Прогноз» назад приблизно на
15 періодів, тоді лінія тренда перетне вертикальну вісь опору, що дасть можливість визначити R0. Щоб програма не додавала від’ємні значення
температури, наведіть курсор на будь-яке значення температури і клацніть правою кнопкою миші. Виберіть «Формат оси», на закладці «Параметры оси»
виберіть мінімальне значення «Фиксированное» рівне 0. Ще раз натисніть правою кнопкою на температурі і виберіть «Добавить основне линии сетки».
Рівняння можна перетягнути нижче і додати назви осей. Для цього наведіть курсор на край діаграми і клацніть лівою кнопкою. Діаграма виділиться і вгорі
з’явиться закладка «Работа с диаграммами». Виберіть «Макет» – «Названия осей» – «Название основной горизонтальной оси» – «Название под осью».
Аналогічно додайте назву вертикальної вісі.
10. Продовживши графік до перетину з віссю опору, знайдіть опір R0 при 0°С.
Якщо ви використовували електронні таблиці, то значення R0 – це вільний член в рівнянні, наведеному на діаграмі.
11. На прямій виберіть довільну точку (бажано якомога далі від початку осей), визначте для неї значення R і t. Це може бути й експериментальна точка, якщо вона лежить на проведеній прямій.
12. За формулою
обчисліть термічний коефіцієнт опору міді.
13. Обчисліть похибку вимірювання α.
Відносна похибка вимірювання складається з суми похибок: похибки різниці R – R0, похибки опору R0 і похибки температури t :
Контрольні запитання
1. Що називають термічним коефіцієнтом опору? В яких одиницях він вимірюється?
2. Як залежить опір металевих провідників від температури?
3. Який вигляд має графік залежності опору металевих провідників від температури?
4. Чому в даній роботі дані вимірювань визначались при охолодженні провідника, а не при його нагріванні?
Рекомендації для вчителя.
Змінювати температуру води, в якій перебуває пробірка з котушкою, можна, нагріваючи колбу з водою на електроплитці. Проте швидке нагрівання
приводить до значних похибок під час вимірювання температури і опору дроту, залежність R(t) не буде лінійною. Інерційність рідинних термометрів вимагає
певного часу для встановлення теплової рівноваги. Тому нагрівання повинно бути досить повільним. Доводиться увесь час періодично вмикати – вимикати
електроплитку.
Краще буде нагріти воду в колбі до 70° – 80°С, виключити нагрівник і стежити за зміною температури. За рахунок теплової інерції нагрівника
температура ще буде збільшуватись, потім підвищення температури припиниться. Вчителю треба заздалегідь експериментально визначити температуру, при якій треба вимкнути нагрівник, щоб після вимикання
електроплитки вода в колбі не закипіла.
Через 2 – 3 хвилини по тому можна почати записувати значення опору і температури. Не слід вимагати обов’язково визначати опір при певних
значеннях температури (80°С, 70°С і т. д.). Важливо, щоб вимірювання температури і опору були одночасними! (Наприклад: 78°С – 100,6 Ом; 65°С –
96,5 Ом і т. д.)
До речі, перше вимірювання слід виконати для кімнатної температури: умова теплової рівноваги, напевне, буде виконана.
Вимірювання за такою схемою вимагає надто багато часу, значно більше уроку, навіть якщо прибрати плитку (підняти затискач з пробіркою, зняти
колбу, переставити плитку, поставити колбу на попереднє місце і опустити пробірку в колбу. Цю процедуру слід виконувати вкрай обережно: плитка і
колба нагріті до високої температури!). Тому в роботі описаний варіант із заміною води, який був перевірений практично і дав змогу за розумний період
часу одержати всі експериментальні дані.
Ще один варіант виконання коректних вимірювань – виготовити з бляшанок високий (11 – 12 см) калориметр (можна скористатись маленьким
термосом). Між бляшанками корисно буде вставити поясок з поролону і ззовні більшу бляшанку теж обгорнути поролоном (див. рис. 4). В калориметр налийте воду, опустіть в нього пробірку з котушкою і термометром та почекайте 2 – 3 хвилини, поки покази термометра перестануть змінюватись. Запишіть значення опору і температуру, потім замініть воду в калориметрі теплою (щоб не розбирати установку, шприцом з трубочкою відберіть частину води з
калориметра і добавте стільки ж гарячої). Зручно використовувати шприц великого об’єму: 20 мл. Знову дочекайтесь теплової рівноваги і запишіть значення температури і опору. Такі вимірювання виконайте для 6 – 7 пар значень температура – опір в інтервалі від кімнатної до 70° – 80°С.
Якщо є лід, то можна виконати вимірювання опору R0 при температурі 0°С, проте це не обов’язково: графік залежності R(t) дасть можливість визначити R0.
Результати роботи:
Для прикладу наведемо обчислення α з використанням графіка, наведеного на рис. 3.
Залежність опору металевих провідників від температури R = R0(1+αt) представимо так:
R = R0 + R0∙αt.
Порівняємо з рівнянням на графіку:
R0 = 77,018 Ом; R0∙α = 0,3046; Одержуємо значення
α = 0,00395 град-1 ≈0,004 град-1.
Порівняємо з табличним значенням: α = 0,0043 град-1. Одержане вдосліді значення термічного коефіцієнта опору міді добре узгоджується з табличними даними.
Обчислення похибки вимірювання:
Основний вклад в похибку вносить доданок
Будемо вважати, що похибка результату визначається ним. Абсолютна похибка ΔR0 визначається за графіком як похибка при визначенні точки перетину графіка з віссю R.
На наш погляд, вона не
перевищувала 1 мм (див рис. 3), отже ΔR0 ≈ 2,5 Ом. Будемо також вважати, що похибка ΔR суттєво менша ΔR0. Для значень R = 107 Ом і R0 = 77 Ом :
Отже, похибка Δα = 0,08∙α. Δα = 0,08∙0,00395 = 0,000316 ≈ 0,0003 (град-1).
Кінцевий результат: α = (0,0040 ± 0,0003) град-1.
Лабораторна робота № 5
Дослідження напівпровідникового діода
Мета роботи: Дослідити залежність струму через діод
від прикладеної до нього напруги і побудувати вольт амперну характеристику діода.
Прилади і матеріали: Напівпровідниковий германієвий діод (типу Д7), джерело постійного струму з е.р.с. 3 – 4,5 В, два мультиметри типу DT830B, додаткові опори 1 Ом і 1 кОм, реостат на 100 – 200 Ом, вимикач, з’єднувальні провідники.
Теоретичні відомості
Напівпровідниковий діод – це напівпровідниковий прилад, принцип дії якого ґрунтується на використанні властивостей електронно-діркового переходу. Електронно-дірковий або p – n перехід – це електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з який має провідність p – типу (діркову), а інша – n – типу (електронну). Одержують p – n перехід різними способами, одним з яких є вплавлення в пластинку напівпровідника n – типу акцепторної домішки, що утворює в частині пластинки напівпровідник p – типу. Тонкий перехідний шар, в якому домішки компенсують одна одну, і є p – n переходом.
Область з великою концентрацією домішки і, отже, малим опором, називають емітером, другу область називають базою. Прямим включенням
діода називають таке включення, при якому плюс джерела приєднується до p – області. Електричний струм через діод обумовлений рухом основних (
для p – області) носіїв заряду з емітера в базу, опір p – n переходу малий.
При зворотному включенні діоду (мінус до p – області) електричний струм зумовлений рухом лише неосновних носіїв з бази в емітер. Його значення на три-чотири порядки менше, ніж значення прямого струму. Це і є основнавластивість діода – одностороння провідність.
Залежність сили струму від напруги називають вольт амперною характеристикою діода (ВАХ). В даній роботі потрібно зняти статичну вольт
амперну характеристику діода.
Опис установки для вимірювання.
Для зняття ВАХ використовується схема, зображена на рис. 1. За цією схемою вимірюється прямий струм діоду. Для вимірювання зворотного струму слід змінити полярність джерела і замість міліамперметра увімкнути в коло мікроамперметр.
Крім того, при використанні звичайних електровимірювальних приладів магнітоелектричної системи схему доводиться дещозмінювати – рис. 2. Це пояснюється тим, що лабораторний аналоговий
вольтметр має опір того ж порядку, що й зворотній опір діода, тому при увімкненні вольтметра за схемою 1 мікроамперметр буде реєструвати струм через вольтметр.
Використання для вимірювань цифрових мультиметрів дає можливість використати одну схему вимірювань, подібну схемі рис. 1. Крім того, замість
амперметра в коло вмикається резистор R2, а сила струму визначається за падінням напруги на опорі цього резистора (рис. 3). При значенні опору R2,
рівному 1 Ом, покази мілівольтметра дорівнюватимуть силі струму в мА. Для вимірювання зворотного струму, який дорівнює одиницям чи десяткам мкА, в
коло вмикають резистор R3, опір якого дорівнює 1 кОм. Тепер покази мілівольтметра дорівнюватимуть силі струму в мкА. Для зміни напрямку струму через діод його треба увімкнути за схемою рис. 4.
При вимірюванні зворотного струму і одночасному підключенні приладів для вимірювання сили струму і напруги, прилад для вимірювання сили струму реєструватиме не тільки зворотний струм діоду, а й струм через вольтметр. Цей струм при напрузі 1 В дорівнює 1 мкА, що значно менше зворотного струму германієвого діоду. Проте і цю розбіжність можна усунути, якщо
вимірювати струм і напругу не одночасно, а послідовно, спочатку – струм, потім – напругу. Наявність чи відсутність в колі мілівольтметра для
вимірювання сили струму не впливає на покази вольтметра.
Монтажну схему установки для зняття ВАХ за схемою рис. 3 показано на рис. 5.
Хід роботи
1. Зберіть електричне коло за схемою рис 5. Положення повзунка реостата – крайнє ліворуч. Реостат, увімкнений так, як зображено на схемі,
називають потенціометром. Після перевірки кола вчителем замкніть вимикач SA1 та увімкніть мультиметри. Мультиметр PV1 вимірює пряму напругу на діоді від 0 до 0,5 В, тому межу вимірювання краще вибрати рівною 2 В (2000 мВ); мультиметр PV2 вимірює напругу на опорі 1 Ом, тобто струм, межа вимірювання – 200 мВ.
2. Обережно починайте пересувати повзунок реостата, слідкуючи за показами вольтметра PV1. Намагайтесь виставити напругу приблизно 0,01 – 0,02 В. При напрузі 0,01 – 0,015 В струму не буде. Записуйте значення напруги і сили струму, навіть якщо струм дорівнює нулю.
3. Збільште напругу до 0,03 В – повинен з’явитись малий струм. Запишіть значення струму і напруги. (Нагадаємо, що покази мілівольтметра відповідають
струму в мА).
4. Встановіть напругу рівною приблизно 0,07 В, потім – 0,12 В, 0,20 В, 0,25 В, 0,3 В, 0,35 В. 0,4 В. Запишіть значення сили струму і напруги.
Будьте уважні! Струм через діод не повинен бути значно більшим 200 мА. Тому при досягненні струму більш, ніж 200 мА (при цьому цифри на
індикаторі погаснуть і висвітиться 1), слід припинити вимірювання і розімкнути перемикач SA1. Вимкніть також мультиметри.
5. Замініть опір R2 1 Ом на опір R3 1 кОм, діод увімкніть в зворотному напрямі, як показано на схемі рис. 4. Реостат знову переведіть в положення, при
якому напруга на діоді дорівнюватиме нулю.
6. Після перевірки кола вчителем, увімкніть мультиметри (PV1 на межі 20 В, PV2 на межі 200 мВ) і замкніть вимикач SA1.
7. Встановіть реостатом напругу 0,05 В і запишіть значення струму і напруги (покази мілівольтметра відповідають струму в мкА!). Повторіть вимірювання для напруг 0,1, 0,15, 0,2, 0,5, 1,0 1,5, 2, 2,5, 3 В. Не намагайтесь точно встановити напругу; замість 1,5 В підійде будь-яке близьке значення, наприклад, 1,43 В.
8. Дані вимірювань подайте у вигляді двох таблиць: одна – для прямого струму, друга – для зворотного.
9. За даними вимірювань побудуйте ВАХ діоду. Значення прямого струму і прямої напруги вважайте додатними, а зворотних – від'ємними. Рекомендовані
масштаби: прямий струм – в 1 см 10 мА, пряма напруга – в 1 см 0,05 В; зворотний струм – в 1 см 10 мкА, зворотна напруга – в 1 см 0,5 В.
10. Як додаткове завдання зніміть ВАХ кремнієвого діода (типу Д226).
11. Зробіть висновки.
Контрольні запитання
1. Назвіть основні властивості напівпровідників.
2. Як одержують напівпровідник n – типу? р – типу?
3. Як утворюється p-n – перехід і які його властивості?
4. Як обчислити опір діода при різних напругах?
5. Проаналізуйте одержані ВАХ. Чим відрізняються ВАХ германієвого і кремнієвого діодів?
Рекомендації для вчителя.
Вибір германієвого діода для досліджень пояснюється тим, що він починає пропускати струм при прямій напрузі близько 0,1 – 0,15 В, тоді як кремнієвий діод відкривається лише при напрузі близько 0,4 В. Крім того, германієвий діод має значно більший зворотний струм, що спрощує вимірювання.
При виконанні роботи звичайно не виникає якихось проблем. Нижче наведено дані виконання роботи на прикладі діда Д7Ж.
Лабораторна робота № 6
Визначення індуктивності котушок
Мета роботи: вивчення явища самоіндукції; визначення індуктивності котушки з осердям та без осердя.
Обладнання: амперметр; вольтметр; реостат; котушка індуктивності; двохполюсний рубильник.
Опис приладу і теоретичні відомості
Навколо замкненого провідного контура зі струмом завжди виникає магнітне поле, яке створює певний магнітний потік крізь контур. Цей потік залежить від зміни величини струму в контурі, форми контуру і магнітної проникності середовища, в яке занурено контур.
Виникнення електрорушійної сили в контурі внаслідок зміни магнітного потоку, створюваного електричним струмом цього контуру, називається явищем самоіндукції.
Зчеплений магнітний потік, що пронизує площу, обмежену контуром струму, пропорційний величині струму,
Ф=LI
де L – індуктивність контуру.
Величину, що чисельно дорівнює магнітному потоку крізь площу контуру, при величині струму контуру, який дорівнює одиниці, називають індуктивністю контуру.
Якщо форма, розміри контуру не змінюються, поблизу контуру немає феромагнетиків, а змінюється лише величина струму в контурі, то ЕРС самоіндукції пропорційна швидкості зміни величини струму, тобто
(2)
Знак „мінус” указує, що ЕРС самоіндукції протидіє зміні сили струму в контурі.
З індуктивністю контуру також зв'язаний додатковий опір змінному струму. Цей опір залежить від індуктивності контуру, частоти змінного струму
і називається індуктивним опором
(– циклічна частота перемінного струму).
У роботі для визначення індуктивності L котушки застосовується метод, побудований на вимірі повного опору (імпедансу) Z котушки, включеної в коло змінного струму. Повний опір котушки виражається через омічний і індуктивний опори,а саме:
де R - омічний опір котушки.
Тоді згідно з формулою (3)
У роботі використовується струм промислової частоти.
Повний опір Z вимірюється за допомогою вольтметра й амперметра (рис.1).
Реостатом R1 регулюється сила струму, яка вимірюється амперметром, а падіння напруги на котушці - вольтметром.
Використовуючи закон Ома для ділянки кола, запишемо
де Z – шуканий повний опір котушки.
Хід роботи
1. Скласти електричне коло за схемою рис. 1. Підключити схему до мережі і, змінюючи опір реостата, установити задану викладачем напругу або
струм, зняти показання амперметра і вольтметра. За формулою (5) обчислити повний опір котушки.
Дослід повторити три рази при різних значеннях напруги або сили струму.
Рубильник вмикати на час, необхідний для відліку показань приладів при одному вимірі, щоб не нагрівалася котушка
2. Вставити феромагнітне осердя у котушку (тим самим збільшити магнітну проникність середовища) і повторити виміри, зазначені в пункті 1.
3. Обчислити за формулою (4) індуктивності котушки без осердя і з осердям. Результати вимірів і обчислень занести в таблицю.
|
№ виміру |
Котушка |
І,А |
U,В |
Zі , Ом |
R,Ом |
L,Гн |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
3 |
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||||
|
3 |
|
|
Остаточний результат записати у вигляді:
Контрольні запитання
1. Чим відрізняються явища самоіндукції і електромагнітної індукції?
2. Від чого залежить індуктивність котушки?
3. Що називають імпедансом котушки і від чого він залежить?
4. Як впливає на показання вимірювальних приладів розміщення у котушці осердя з феромагнетика?
Рекомендації для вчителя.
|
№ виміру |
Котушка |
І,А |
U,В |
Zі , Ом |
R,Ом |
L,Гн |
|
1 |
Без осередя |
0,95 |
10 |
10,5 |
10 |
0,01 |
|
2 |
1,05 |
11 |
||||
|
3 |
1,14 |
12 |
||||
|
1 |
З осередям |
0,83 |
10 |
12 |
0,021 |
|
|
2 |
0,92 |
11 |
||||
|
3 |
1 |
12 |
Лабораторна робота № 7
Дослідження електричного кола змінного струму з послідовним з'єднанням активного опору і індуктивності.
Мета: досліджувати вплив на роботу ланцюга підключеного резистора.
Обладнання: Вольтметр з межею вимірювання 60 В. Міліамперметр змінного струму з межею вимірювання 500 мА. Котушка індуктивності (без сердечника). Феромагнітний сердечник. Резистори опором 30 Ом
(2 шт). Джерело змінного струму. З’єднувальні провідники.
Теоретичні відомості
Даний ланцюг відноситься до реальних електричних кіл змінного струму. Для розрахунку потужностей та коефіцієнта потужності в цьому ланцюзі необхідно скористатися наступними виразами: - активна потужність
Р = I ∙ U ∙ cos φ = I2 ∙ r = Ur ∙ I, Вт; - реактивна потужність
QL = U ∙ I ∙ sin φ = I2 ∙ xL = UL ∙ I, ВАр; - повна потужність
про публікацію авторської розробки
Додати розробку