Методика проведення лабораторних робіт (лабораторного практикума) 

  Лабораторну роботу (лабораторний практикум)   розробляє вчитель і поміщає  на персональному сайті, для можливості попереднього ознайомлення учнів з розробкою, перед виконанням ними лабораторної роботи. Вчитель повинен мати декілька екземплярів роздрукованих розробок лабораторної роботи (лабораторного практикума), яка проводиться.

  Вчитель повинен завчасно повідомити учнів про тему лабораторної роботи (практикума) і адресу сайта, де знаходиться розробка.

Учні можуть «скачати» цей матеріал і при можливості роздрукувати.

На урок з виконанням лабораторної роботи (практикума) учні повинні додатково прочитати розділ фізики по цій темі, мати з собою лінійку, циркуль, олівець, мікрокалькулятор, окремий зошит для лабораторних робіт.

  Якщо лабораторна робота з електротехніки,то учні мають ознайомитися з правилами техніки безпеки при роботі з електросхемами, ця стаття також має бути на персональному сайті вчителя. Цю статтю необхідно «скачати» і бажано роздрукувати.

   Перед початком проведення лабораторної  роботи вчитель ознайомлює учнів з правилами техніки безпеки при виконанні даної роботи, відповідно до теми.

  Зазвичай пропонується  два (три)  варіанти виконання лабораторної роботи (практикума).

   Учням роздаються прилади та матеріали і з дозволу вчителя можна приступати до виконання досліду з дотриманням усіх правил користування вимірювальними приладами і вимог техніки безпеки  та поведінки в класі.

Якщо лабораторна робота (практикум) по електротехніці, то робити підключення до джерела живлення можна тільки після перевірки  правильності складання схеми вчителем. Після вимірювань, схему необхідно відключити від джерела живлення. Закінчивши вимірювання, результати необхідно показати вчителю; якщо вони неправильні - то вимірювання слід повторити.

   По закінченню проведення лабораторної роботи (практикума) необхідно скласти письмовий звіт у зошиті для лабораторних робіт – кожен наступний звіт необхідно починати з нової сторінки (записи вести розбірливо, без перекреслень і виправлень).

   Таблиці, рисунки, схеми необхідно виконувати олівцем або пастою, використовуючи лінійку, циркуль. При кресленні електричних схем доцільно використовувати спеціальні трафаретки з резисторами, конденсаторами, напівпровідниковими діодами і т.д.. Всі обчислення необхідно виконувати за допомогою мікрокалькулятора, з округленням чисел. 

   Зазвичай на виконання дослідів затрачається мало часу, а на оформлення письмового звіту значно більше часу. Всі розрахунки робити в системі СІ, використовуючи основні і похідні одиниці.

  В кінці уроку учні здають зошити з звітами про виконання лабораторної  роботи вчителеві на перевірку.

Методична розробка лабораторного практикума (11 клас). Дослідження електричного кола з послідовним та паралельним з'єднанням провідників

    Лабораторна робота виконується з використанням виготовленого обладнання: «Стенд для проведення лабораторних робіт- вимірювання постійного струму при послідовному, паралельному та змішаному з'єднанню опорів».

   Лабораторна робота зводиться до підключення досліджуваної ланки до стенду; подавши напругу, згідно замовлених варіантів: 3 В; 4,5 В; 6 В. В положенні перемикача SA1 – «V»  вимірюється напруга подана на ланку з певним опором при підключеній ланці до джерела живлення, а в положенні перемикача SA1 – «А»; мікроамперметр вмикається послідовно з досліджуваною ланкою і вимірюється струм, що протікає через ланку. Для стенду використано мікроамперметр на 200 мкА типу М4206. Напруга подана на ланку при проходженні струму через опір ланки - вимірюється вольтметром на 10 В (використано мікроамперметр на 200 мкА) – показники мікроамперметра необхідно ділити на 20. Так для прикладу, якщо мікроамперметр, в режимі вимірювання напруги, показує 120; то це означає, що вимірювана напруга становить 6 В.   Струм вимірюється в положенні перемикача SA1 – «А», безпосередньо по шкалі приладу. Учні по відомим формулах обчислюють загальний опір ланки і по закону Ома вираховують струм, що протікає через ланку, і порівнюють з даними вимірювання. Схема стенду приведена на рис. 1.

Спрощена схема досліду приведена на рис. 2

Схеми ланок з послідовним включенням опорів для підключення до стенду приведено на рис. 3.

      Для послідовно з’єднаних провідників (опорів) формула загального опору          має такий вигляд:

                                   R_{заг. I вар.} = R1 + R2 + R3 + R4  (1), для I- варіанту 

                                   R_{заг. II вар.} = R5 + R6 + R7 + R8  (2), для II- варіанту

Розрахунок струму через ланку опорів, згідно закону Ома можливо   зробити  по формулі:

Таблиця 1

Схеми ланок з паралельним включенням опорів для підключення до стенду приведено на рис. 4.

 Для паралельного з’єднаних провідників (опорів) формула загального опору          має такий вигляд:

                                  1/ R_{заг. I вар.} = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3   (1), для I- варіанту 

                                  1/ R_{заг. II вар.} = 1/R4 + 1/R5 + 1/R6   (2), для II- варіанту

Розрахунок струму через ланку опорів, згідно закону Ома можливо   зробити  по формулі:

                               Таблиця 2

 Хід роботи:

1.  Ознайомитись з правилами техніки безпеки при роботі з           електросхемами

2.  Виміряти вольтметром напругу від джерела живлення,  згідно заданого      варіанту, тобто ±3 В, ±4,5 В, ±6 В. з підключеним навантаженням, тобто       ланкою I- , чи II- варіанту) і записати отримане значення напруги –      перемикач SA1 в положенні «V». 

3.  Переключити перемикач SA1 в положення «А», виміряти амперметром      струм від джерела живлення,   згідно заданого варіанту, тобто ±3 В,          ±4,5 В, ±6 В. з підключеним навантаженням, тобто  ланкою I- , чи II-          варіанту і  записати отримане   значення струму.

4.  Зробити розрахунок загального опору з’єднаних послідовно резисторів,         згідно заданого варіанту, записати в таблицю 1, записати формулу для             розрахунку. 

5.  Зробити розрахунок загального опору з’єднаних паралельно резисторів,         згідно заданого варіанту, записати в таблицю 2, записати формулу для    

        розрахунку.

6.  Зробити розрахунок струму через ланку опорів, використовуючи          формулу (3).

7.  Зробити порівняння виміряного струму через ланку і розрахованого і          пояснити розбіжність даних.

8.  Накреслити схему рис. 2 і рис. 3 (заданий варіант)

  Методична розробка лабораторного практикума  (11клас) «Визначення ЕРС і    внутрішнього опору джерела живлення»

    Завдання: експериментально визначити ЕРС і внутрішній опір хімічного джерела живлення за допомогою вольтметра і амперметра. 

Обладнання:  

•      Чотири елемента типу АА в касеті;

•      Резистори по 51Ом, 2 Вт  2 шт;

•      Мультиметр DT830B, або вольтметр на 10 В і амперметр на 500 мА (200 мА);  З’єднувальні провідники. 

     Для цієї лабораторної роботи доцільно використати «Стенд для проведення лабораторних робіт- вимірювання постійного струму при послідовному, паралельному та змішаному з'єднанню опорів», який був

виготовлений раніше і має касету з чотирма елементами типу АА, ввімкненими послідовно і мають відводи від -6 В, -4,5 В, -3 В.

Для перевірки ЕРС, достатньо виміряти напругу на відводах батареї без навантаження – це і буде  напруга ЕРС, тобто електрорушійна сила, позначимо її буквою Е.

    Згідно закону Ома для повного кола з навантаженням формула буде мати такий вигляд:

Де I – сила струму в колі, яка вимірюється амперметром (мультиметром в режимі DCА) в схемах приведених на рис. 4 і рис 5.

З формули (1) знаходимо:    Е = U + Ir,  (2)                                                                        де U = IR –  напруга на зовнішній ділянці кола, при підключенні навантаження R, – вимірюється вольтметром, або мультиметром в режимі вольтметра постійного струму - ACV.

    Виконавши два вимірювання напруги (рис. 2 і рис. 3) і сили струму (рис. 4 і рис. 4)  при  зміні навантаження кола, одержимо систему рівнянь, звідки і отримаємо r

 Щоб визначити E_{розрах.} можливо скористатись формулою (2)  Дані вимірювань і розрахунків слід записати в Таблицю 1,

                                      Таблиця 1 варіант № _________  

Хід роботи:

1. Ознайомитись з правилами техніки безпеки при роботі з електросхемами 2. Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу від джерела живлення,       згідно заданого варіанту, тобто ±3 В, ±4,5 В, ±6 В. (без навантаження) і      записати отримане значення електрорушійної сили E_вим. 

3.           Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу від джерела живлення,       згідно заданого варіанту, тобто ±3 В, ±4,5 В, ±6 В. з підключеним      навантаженням 102 Ом (два резистори по 51 Ом ввімкнені послідовно) і       отримати значення напруги U₁ (схема рис. 2).

4.           Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу від джерела живлення,        згідно заданого варіанту, тобто ±3 В, ±4,5 В, ±6 В. з підключеним       навантаженням 51 Ом (один резистор на 51 Ом) і отримати значення       напруги U₂  (схема рис. 3).

5.           Виміряти амперметром (мультиметром) струм від джерела живлення,       згідно заданого варіанту, тобто ±3 В, ±4,5 В, ±6 В. з підключеним      навантаженням 102 Ом (два резистори по 51 Ом ввімкнені послідовно) і       отримати значення напруги I₁  (схема рис. 4).

6.           Виміряти амперметром (мультиметром) струм від джерела живлення,        згідно заданого варіанту, тобто ±3 В, ±4,5 В, ±6 В. з підключеним       навантаженням 51 Ом (один резистор на 51 Ом) і отримати значення       напруги I₂  (схема рис. 5).

7.           Провести обчислення  внутрішнього опору джерела живлення r заданого      варіанту використавши формулу (4), записати формулу і розрахунок. 8. Провести обчислення E_розрах., використавши формулу (5), записати      формулу і розрахунок.

9. Записати дані вимірювань і розрахунків в таблицю 1. 10. Накреслити схеми рис. 1…рис. 5.

  Вимірювання по лабораторній роботі виконується протягом 2…3-х хвилин.

Обчислення і оформлення лабораторної роботи протягом 20…25 хвилин.    По обчисленому r можливо розрахувати струм короткого замикання – так при напрузі 6 В струм при короткому замиканні великої величини і може розплавити алюмінієву смужку. Внутрішній опір елементів типу АА невеликий, тому світлодіоди до такої батареї необхідно підключати через додатковий опір, а якщо підключити безпосередньо, то можна вивести їх з ладу.

          Лабораторний практикум (11 клас) «Дослідження явища            електромагнітної індукції» з додатковим підсилювачем до          мікроамперметра

    Явище електромагнітної індукції відкрив Майкл Фарадей в 1831 році. Явище електромагнітної індукції – це виникнення індукційного струму в замкненому провіднику під дією змінного магнітного поля.

   Найпростіше зробити демонстрацію виникнення індукційного струму в котушці при використанні гальванометра з стрілкою посередині, але якщо такого немає, то можна використати мікроамперметр типу М2001-48 на

 50 мкА,  з стрілкою посередині.  В якості котушки можливо використати котушку від дроселя чорно-білого телевізора ИП4.750.060, яка має дві обмотки: W1= 1550 витків провода ПЭЛ діаметром 0,23 мм і W2= 850 витків провода ПЭЛ діаметром 0,18 мм. Обмотки краще ввімкнути послідовно, згідно (з’єднати ламелі 2-3) і отримаємо котушку на 2400 витків (1-4 ламелі котушки). Котушку безпосередньо під’єднуємо до мікроамперметра. Комплектація пристрою для демонстрації явища електромагнітної індукції показано на фото 1.

                            Фото 1

     Вводимо лінійний постійний магніт в котушку і спостерігаємо відхилення стрілки мікроамперметра. При вийманні постійного магніту з котушки стрілка мікроамперметра буде відхилятись в іший бік. Якщо 1-шу ламель котушки підключити до «+» мікроамперметра, а 4-ту ламель котушки підключити до «-» мікроамперметра, то при введені північного полюса постійного магніту в котушку стрілка відхилиться вправо, а при висмикуванні електромагніту з котушки стрілка відхилиться вліво, як це показано на фото 2 і фото 3. Слід зауважити, що чим більша швидкість вводу або висмикування лінійного постійного магніту, то стрілка відхилиться на більший кут. Замість магніту можливо використати також електромагніт, підключивши його до джерела живлення постійного струму.

                               Фото 2

                          Фото 3

    Якщо додатково виготовити підсилювач постійного струму до мікроамперметра (гальванометра), то досліди будуть більш «показовими» в зв’язку с з тим що стрілка мікроамперметра буде відхилятись на більший кут і навіть буде «шкалити» прилад. До підсилювача постійного струму під’єднується та ж сама котушка, яка використовувалась в попередньому досліді. З додатковим підсилювачем можливо використати й котушки з меншою кількістю витків (800…1000). Принципова електрична схема додаткового підсилювача постійного струму приведена на рис. 1. Замість транзисторів КТ501Б можливо використати транзистори інших типів: МП39Б, МП41А, МП42Б, КТ502, КТ201, КТ208, КТ361 з любими літерними індексами, але необхідно підібрати транзистори з однаковими коефіцієнтами підсилення по постійному струму h21_Э. Слід зауважити, що в транзисторів великий «розкид» по величині параметра h21_Э, тому для підбора «пари» необхідно мати декілька однотипних транзисторів. Бажано щоб транзистори мали коефіцієнт підсилення по постійному струму в межах 50…100. Підстроювальний резистор R5 слід взяти типу СП5-2В з черв’ячною передачею регулювання. Перед першим включенням підстроювальний резистор виставити в положення посередині, тобто по 235 Ом «плечі». Виставляти прилад на «0», за допомогою підстроювального резистора R5 («Баланс») необхідно після підключення котушки і подачі живлення на схему. Прилад живиться напругою ±9 В від батареї «КРОНА», або від шести елементів типу АА, з’єднаних послідовно. 

    Застосування в приладі балансного підсилювача зменшує «дрейф нуля» і тим більше, чим менше різниця в значеннях струму I_КБ0 використовуваних в ньому транзисторів. Прилад працює і від напруги 4,5…6 В, але чутливість його при цьому менша.

 Чутливість балансного підсилювача по входу становить 3…5 мкА при використанні мікроамперметра зі струмом 50 мкА.

      Якщо немає приладу для вимірювання коефіцієнта підсилення, то можливо зібрати просту схему приведену на рис. 2 і на ній випробовувати наявні транзистори, підібравши «пару» з однаковим струмом колектора, при напрузі живлення ±3 В.  Резистор R1 задає базовий струм 0,1 мА. Припустимо, що міліамперметр  показує 7,5 мА. Якщо значення колекторного струму поділити на базовий струм, то отримаємо показник h21_Э. В даному випадку h21_Э = 75. Так з 15 транзисторів КТ501Б вдалось підібрати «пару» з h_21Э = 75. В якості міліамперметра можливо використати прилади типу М4203, М42303, М903/2, М1690А, та інші. Міліамперметр на 10 мА можливо також зробити з мікроамперметра на 100 мкА, міліамперметра на 1 мА. Величина опору для шунта можливо визначити за формулою: 

   Якщо не має довідника, то можливо самому визначити опір рамки наявного приладу. Припустимо, що у нас є мікроамперметр на 100 мкА типу М592. Подаємо на нього напругу ±9 В через резистор на 106 кОм (91кОм + 15 кОм) і фіксуємо показники приладу (прилад показував 80). Додатковий опір можна взяти і на 100 кОм, або 120 кОм, при цьому показник приладу буде інший. Під’єднуємо до мікроамперметра підстроювальний резистор на 2000 Ом і за допомогою підстроювального резистора виставляємо показник на приладові у два рази менший, тобто 40. Від’єднуємо підстроювальний резистор і за допомогою омметра вимірюємо виставлений опір. Прилад показав занижені вдвоє показники з шунтом на 680 Ом – це і є опір рамки мікроамперметра R_пр.   

 Так по приведеній вище формулі опір шунта для отримання міліамперметра на 10 мА з мікроамперметра типу М592 повинен мати опір 6,86 Ом. Доцільно взяти стандартний опір на 6,8 Ом. Зрозуміло, що в інших типів мікроамперметрів R_пр. буде інший. 

   На факультативних заняттях доцільно показати учням підсилювальні властивості транзисторів по схемі рис. 2, по якій можливо виміряти коефіцієнт підсилення транзисторів з h21_Э до 100. Якщо резистор R1 замінити на резистор з опором 60 кОм, то приладом можна виміряти транзистори з h21_Э до 200.

 Література: 

1.    Илюнин К. К. и др. Справочник электроизмерительным приборам, изд.

«ЭНЕРГИЯ», Ленинградское отд. 1973 г.

2.    Дмитро Бабин, Лабораторний практикум (11 клас) «Дослідження   явища     

       електромагнітної індукції», з додатковим підсилювачем до мікроамперметра 

          Інтернет    https://radioelectronics-ur5ydn.jimdofree.com/  

 Методична розробка лабораторного практикума (11 клас) – «Визначення ємності конденсатора в колі змінного струму»

    Завдання: 

1.        Експериментально перевірити вплив конденсатора на коло постійного струму.

2.        Експериментально визначити ефективну напругу на опорі в 100 Ом, послідовно включеному з конденсаторм, визначити ефективну напругу на конденсаторі, обчислити значення ємності конденсатора для даного варіанту. Обладнання:  

•      Понижувальний трансформатор 220/12,6 В, потужністю 5…10 Вт;

•      Резистор на 100 Ом, 1 Вт,  1 шт;

•      П’ять конденсаторів на різну ємність – п’ять варіантів;

•      Мультиметр DT830B, або вольтметр змінного струму на 50 В (20 В);  З’єднувальні провідники.

•      Запобіжник на 250 мА і запобіжник на 1 А, держателі для запобіжників;

•      Кабель для підключення силового трансформатора до електромережі;  Гнізда (16 шт.), плоскі штирі (6 шт.) 

•      Чотири елемента типу АА в касеті;

     Для виконання першого експерименту  цього лабораторного практикума доцільно використати «Стенд для проведення лабораторних робіт- вимірювання постійного струму при послідовному, паралельному та змішаному з'єднанню опорів», який був виготовлений раніше і має касету з чотирма елементами типу АА, ввімкненими послідовно і мають відводи від -6 В, -4,5 В, -3 В. Для експерименту візьмемо напругу ±6 В і складемо схему, приведену на рис. 1. Проведемо вимірювання і амперметр покаже, що струм в колі відсутній, тобто конденсатор не «пропускає» постійний струм.

Для проведення другого експерименту цього  лабораторнго практикума доцільно використати «Стенд для лабораторних робіт з змінним струмом», який був виготовлений раніше і має вихідну напругу 6 в змінного струм. Можливо також використати менш потужний понижувальний трансформатор на 12,6 В. Амперметри змінного струму досить дефіцитні, а мультиметр типу DT830B вимірює тільки напругу змінного струму (режим DCV), а як амперметр змінного струму не працює, тому в схему введено опір на 100 Ом і на ньому вимірюється напруга для визначення струму в колі.

Силовий трансформатор з запобіжниками поміщений в пластмасовий корпус на якому встановлено гнізда Гн1, Гн2 з вихідною напругою 12,6 В. Збираємо схему, приведену на рис.2. 

Виміряємо напругу U1 _еф. на резисторі R2 і напругу на конденсаторі U2 _еф.

Визначємо I_еф., який проходить через конденсатор за формулою:

Визначємо реактивний опір конденсатора R  за формулою:

Як відомо з електротехніки, ємнісний опір R можливо розрахувати за формулою: 

З формули (3) знайдемо С. 

Обчислюємо величину ємності конденсатора за формулою (4) і отриманий результат записуємо в таблицю 1.

                          Таблиця 1, варіант №______________

     Хід роботи:

1.  Ознайомитись з правилами техніки безпеки при роботі з електросхемами.

2.  Скласти електричне коло за рис.1.

3.  Провести перший експеримент з конденсатором і впевнитись в тому, що      постійний струм конденсатор не пропускає.

4.  Скласти електричне коло за рис.2.

5.  Ввімкнути понижувальний трансформатор в електромережу.

6.  Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу U1 _еф.на резисторі R2.

7.  Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу U2 _еф.на кондесаторі.  8. Розрахувати I_еф. по формулі (1) і внести дані в таблицю 1, записати      формулу розрахунку.

8.  Провести обчислення реактивного опору конденсатора R по формулі (2),       внести дані в таблицю 1, записати формулу розрахунку. 

9.  Провести обчислення С, використавши формулу (4), записати      формулу і розрахунок.

10.        Записати дані вимірювань і розрахунків в таблицю 1. 11. Накреслити схеми рис. 1, рис. 2.

  Вимірювання по лабораторній роботі виконується протягом 2…3-х хвилин. Обчислення і оформлення лабораторної роботи протягом 15…20 хвилин.  

   Методична розробка лабораторного практикума (11 клас) – «Вимірювання індуктивності котушки»

    Завдання: експериментально визначити значення омічного опору котушки за допомогою омметра (мультиметра) на постійному струмові, визначити ефективну напругу на опорі в 100 Ом, послідовно включеному з індуктивністю, визначити ефективну напругу на індуктивності, обчислити значення індуктивності для даного варіанту.

Обладнання:  

•      Понижувальний трансформатор 220/12,6 В, потужністю 5…10 Вт;

•      Резистор на 100 Ом, 1 Вт,  1 шт;

•      Три індуктивності з сердечниками (обмотка реле РЭС22, обмотка реле РЭС9, обмотка реле РСМ) – три варіанти;

•      Мультиметр DT830B, або вольтметр змінного струму на 50 В (20 В);  З’єднувальні провідники.

•      Запобіжник на 250 мА і запобіжник на 1 А, держателі для запобіжників;

•      Кабель для підключення силового трансформатора до електромережі;

•      Гнізда (12 шт.), плоскі штирі (6 шт.) 

     Для цієї лабораторної роботи доцільно використати «Стенд для лабораторних робіт з змінним струмом», який був виготовлений раніше і має вихідну напругу 6 в змінного струм. Можливо також використати менш потужний понижувальний трансформатор на 12,6 В. Амперметри змінного струму досить дефіцитні, а мультиметр типу DT830B вимірює тільки напругу змінного струму (режим DCV), а як амперметр змінного струму не працює, тому в схему введено опір на 100 Ом і на ньому вимірюється напруга для визначення струму в колі.

Омічний опір індуктивності на постійному струмові визначаєм за допомогою омметра (мультиметра) і позначимо R₀.

Силовий трансформатор з запобіжниками поміщений в пластмасовий корпус на якому встановлено гнізда Гн1, Гн2 з вихідною напругою 12,6 В. Збираємо схему, приведену на рис.1. 

Виміряємо напругу U1 _еф. на резисторі R2 і напругу на індуктивності U2 _еф.

Визначємо I_еф., який проходить через індуктивність за формулою:

Визначємо реактивний опір індуктивності R  за формулою:

Обчислюємо величину індуктивності за формулою:

Дані вимірювань записуємо в таблицю 1.

           Таблиця 1 варіант №______

Хід роботи:

1.  Ознайомитись з правилами техніки безпеки при роботі з електросхемами.

2.  Виміряти омметром (мультиметром) опір  індуктивності R0,    згідно заданого      варіанту, на постійному струмові.

3.  Скласти електричне коло за рис.1.

4.  Ввімкнути понижувальний трансформатор в електромережу.

5.  Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу U1 _еф.на резисторі R2.

6.  Виміряти вольтметром (мультиметром) напругу U2 _еф.на індуктивності. 7. Розрахувати I_еф. по формулі (1) і внести дані в таблицю 1, записати      формулу розрахунку.

8.     Провести обчислення реактивного опору індуктивності по формулі (2),       внести дані в таблицю 1, записати формулу розрахунку. 

9.     Провести обчислення L, використавши формулу (3), записати      формулу і розрахунок.

10.  Записати дані вимірювань і розрахунків в таблицю 1.

11.  Накреслити схему рис. 1

  Вимірювання по лабораторній роботі виконується протягом 2…3-х хвилин.

Обчислення і оформлення лабораторної роботи протягом 15…20 хвилин.  

Автор: Бабин Дмитро Святославович, вчитель фізики і астрономії