Определение мощности источника тока. Гудилов_Физ_практ_Ч_2_2008(1). Физический практикум
 Скачать 1.62 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ВОЛГОГРАДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ С. М. Гудилов, Д. Г. Ковтун С. В. Медников ФИЗИЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ Учебное пособие Ч а с т ь 2 Волгоград 2008 УДК 53(075.5) Р е ц е н з е н т ы : кафедра общей физики ВГАСУ, зав. кафедрой докт. физ-мат. наук, проф. А. И. Бурханов; зав. кафедрой общей физики ВГПУ, д-р физ.-мат. наук профессор С. В. Крючков Печатается по решению редакционно-издательского совета Волгоградского государственного технического университета Гудилов, С. М. Физический практикум. Ч. 2: учеб. пособие/ С. М. Гудилов, Д. Г. Ковтун, С. В. Медников; под ред. С. М. Гудилова/ ВолгГТУ. – Волгоград, 2008. – 208 с. ISBN 978–5–9948–0159–8 Пособие содержит описания лабораторных работ, выполняемых в ВолгГТУ в рамках общего курса физики (вторая часть) в соответствии с программой физики для технических университетов (электричество и магнетизм, электрические колебания и волны, оптика). Вводный раздел знакомит студентов с электроизмерительными приборами и методами измерения электрических величин. В каждом разделе содержатся теоретические сведения, необходимые для выполнения соответствующей лабораторной работы, описание лабораторной установки, методика проведения эксперимента и обработки результатов. Пособие предназначено для студентов второго курса технических специальностей университетов. Ил. 107. Табл. 38.Библиогр.: 19 назв. ISBN 978–5–9948–0159–8 Волгоградский государственный технический университет, 2008 С. М. Гудилов, Д. Г. Ковтун, С. В. Медников, 2008 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие …………………………………………………………………………….. 1. Электроизмерительные приборы............................................................................... 2. Лабораторная работа № 201. Изучение распределения электрического поля… 3. Лабораторная работа № 202. Исследование температурной зависимости свойств сегнетоэлектриков ……………………………….............................................. 4. Лабораторная работа № 203. Определение электрической емкости конденсатора……………………………………………………………………………... 5. Лабораторная работа № 204. Определение удельного сопротивления проводника …………………………………………….………………………………… 6. Лабораторная работа № 205. Изучение законов постоянного тока ……………... 7. Лабораторная работа № 206. Определение мощности источника тока …………. 8. Лабораторная работа № 207. Определение удельного заряда электрона с помощью вакуумного диода……………………….…………………………………. 9. Лабораторная работа № 208. Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли …………………….................................................. 10. Лабораторная работа № 209. Изучение некоторых свойств ферромагнетиков … 11. Лабораторная работа № 210. Определение баллистической постоянной гальванометра …………….……………………………………………………………... 12. Лабораторная работа № 211. Исследование работы трансформатора …………... 13. Лабораторная работа № 212. Определение удельного заряда электрона с помощью электронно-лучевой трубки ……………………….………………...…… 14. Лабораторная работа № 213. Сложение гармонических колебаний …………….. 15. Лабораторная работа № 214. Свободные и затухающие электрические колебания………………………………………………………………………………… 16. Лабораторная работа № 215. Вынужденные колебания в электрическом колебательном контуре………………………………...………………………………... 17. Лабораторная работа № 216. Определение скорости распространения электромагнитных волн…………………………………………………………………. 18. Лабораторная работа № 217. Изучение дифракции Фраунгофера……………….. 19. Лабораторная работа № 218. Определение концентрации сахара в растворе по углу вращения плоскости поляризации света..…………………………………….. 20. Лабораторная работа № 219. Изучение поглощения света в окрашенных стеклах …………………………………………………………………………………… 21. Лабораторная работа №220. Изучение поглощения света в жидкостях с помощью фотоэлектроколориметра……………………………………….................. 4 6 17 29 40 49 57 67 75 85 92 101 108 118 126 134 143 152 164 174 187 200 ПРЕДИСЛОВИЕ В данном учебном пособии описаны лабораторные работы, выполняемые в Волгоградском государственном техническом университете в рамках общего курса физики (вторая часть) в соответствии с программой физики для технических университетов «Электричество и магнетизм, колебания и волны, оптика», которые изучаются в третьем семестре. Цель практикума заключается в том, чтобы ознакомить студентов с методами измерения электрических и магнитных величин, научить методам обращения с электрическими измерительными приборами, предоставить возможность самостоятельно воспроизвести основные физические явления. Разделам с методическими указаниями к выполнению лабораторных работ предшествует раздел, посвященный описанию электрических приборов, методам электрических измерений и обработки полученных результатов. Представляется очевидным, что содержащиеся в разделе сведения необходимы каждому студенту при подготовке к выполнению и отчету любой лабораторной работы цикла. Описания к лабораторным работам начинаются с формулировки цели работы и теоретических сведений о существе изучаемых явлений и применяемом методе исследований. Причем изложение основ теории ведется так, чтобы материал был доступен как тем студентам, которые уже прослушали соответствующую лекцию, так и тем, для кого он является новым. Основные теоретические сведения, необходимые для выполнения и отчета каждой лабораторной работы представлены в замкнутом, насколько это возможно, виде в описании к данной работе (кроме прямых ссылок о необходимости прочитать теорию другого раздела). Безусловно, это несколько увеличивает размер пособия, но, как показывает опыт, оправдано, так как не следует ожидать от приступающего к обучению человека умения выделить необходимые для его обучения сведения из общей теории. К каждой работе даются ссылки на дополнительную литературу для желающих углубить свои знания по конкретному вопросу. В пособии нумерация формул, рисунков и таблиц ведется в пределах каждого раздела. Ссылки на пункты выполнения заданий в пределах одного подраздела даются в упрощенной форме – указанием только их порядковых номеров внутри этого подраздела (последнее число сложного номера). Нумерация лабораторных работ проводится следующим образом – первая цифра (2) отражает номер части курса физики, а последующие – порядковый номер работы, который соответствует последовательности чтения лекций, принятой в университете. Разделы 2, 3, 17–21 написаны С. М. Гудиловым, разделы 9–12, 14–16 – Д. Г. Ковтуном и разделы 1, 4–8, 13 – С. В. Медниковым. Учебное пособие написано на основе многолетнего опыта работы коллектива кафедры физики, выраженного в поставленных лабораторных работах и предшествующих методических указаниях и пособиях. В данном пособии сохранена апробированная часть, связанная с описанием установок, порядком выполнения работ и обработкой результатов, но в то же время исправлены замеченные неточности, неясности, а в некоторых случаях изменены методы обработки или представления результатов. Наибольшему изменению подверглась теоретическая часть, в которой изменена форма подачи материала, сделаны исправления формулировок, а некоторые положения написаны заново. Также были переформулированы и дополнены контрольные вопросы. 1. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ 1.1. Основные сведения об электрических измерениях Целью проведения лабораторного практикума в лаборатории электричества и магнетизма является изучение на практике физических законов электричества и магнетизма, а также ознакомление с процессами измерений электрических величин и получение практических навыков измерений. Измерение любой физической величины заключается в сравнении этой физической величины с такой же эталонной величиной, принятой за единицу измерения. А = N α, здесь α – единица измерения, N – численное значение величины А. Измерительный прибор – это средство измерения, преобразующее измеряемую величину в измерительную информацию, доступную для непосредственного отсчета. Приборы для измерения электрических величин получили название электроизмерительных приборов. Существуют также измерительные приборы, позволяющие измерять неэлектрические величины электрическими методами. Примерами таких приборов являются измерители деформаций, сил, потоков жидкостей или газов, измерители уровня жидких или сыпучих сред в емкостях. Общее название таких приборов – измерительные преобразователи. Если провести классификацию различных видов измерений, то можно выделить три основные разновидности. Прямые измерения – это измерения, при которых измерительный прибор непосредственно показывает значение измеряемой величины (например, вольтметр показывает непосредственно значение напряжения, амперметр – величину тока, ваттметр – значение мощности, омметр – сопротивление участка цепи). Косвенные измерения – это такие измерения, при которых над результатом, показываемым прибором, требуется произвести определенные математические действия. Например, при отсутствии ваттметра значение мощности можно вычислить, измерив предварительно ток I и напряжение U и затем перемножив их. Р = I U . Точно так же, при отсутствии омметра значение сопротивления R участка цепи можно рассчитать, измерив предварительно ток I и напряжение U на этом участке R = U / I . Еще одна разновидность измерений – метод сравнения. Примером может служить компенсационный метод измерения ЭДС, заключающийся в том, что последовательно с измеряемой ЭДС включается эталонный источник переменной ЭДС, величину которой изменяют до тех пор, пока суммарная ЭДС не станет равной нулю. Разумеется, это возможно только тогда, когда эталонная ЭДС включается навстречу измеряемой. Результат считывается со шкалы прибора, который называется потенциометром, поэтому подобные измерения ЭДС называют также потенциометрическими. К методу сравнения относится также мостовой метод измерения сопротивлений и метод фигур Лиссажу, применяемый для измерения частоты. Любой измерительный прибор вносит определенное искажение в измеряемую величину. Как вы узнаете потом, при изучении квантовой физики, наибольшее влияние измерительное средство оказывает на объект измерения в микромире. Однако влияние измерительного прибора на точность получаемых при измерении результатов наблюдается также и при электрических измерениях. Мерой степени точности измерений, производимых с помощью электроизмерительного прибора, является, как и вообще при любых измерениях, относительная погрешность измерения. Это понятие знакомо вам из первой части физического практикума. Применительно к электрическим измерениям, относительная погрешность предела измерения данного прибора, выраженная в процентах, носит название класса точности электроизмерительного прибора. 1.2. Классификация электроизмерительных приборов Электроизмерительные приборы классифицируются по следующим признакам: – по функциональному назначению – приборы для получения, обработки и представления измерительной информации, а также приборы для аттестации и поверки; – способу представления результатов измерений – показывающие и регистрирующие. Первые показывают только текущее значение измеряемой величины, вторые сохраняют значения измеряемой величины за некоторый интервал времени. В свою очередь показывающие приборы можно разделить на стрелочные (шкальные) и цифровые; – методу измерения – приборы непосредственного измерения и приборы сравнения (уравновешивания); – конструктивному исполнению – щитовые, переносные и стационарные; – точности измерений – измерительные приборы, для которых указывается точность измерений, и указатели, в которых погрешность не нормируется; – принципу действия или физическому явлению, положенному в основу работы прибора – электромеханические, электронные, термоэлектрические и электрохимические. Четкую границу между ними провести трудно, так как в некоторых приборах используются несколько физических явлений; – в зависимости от способа защиты прибора от воздействия внешних условий корпуса приборов (как говорят – исполнение прибора) делятся на обыкновенные, водо- газо- пылезащищенные, герметические, взрывобезопасные; – по роду измеряемой величины. Из наиболее широко применяемых – приборы для измерения токов (в названии прибора присутствует буква А), напряжений (буква В), мощностей (М), разностей фаз (Ф), частоты и времени (Ч). Приборы для исследования формы переменных электрических сигналов имеют в обозначении букву С, измерительные генераторы – букву Г, источники питания – букву Б; – приборы, предназначенные для измерения нескольких различных электрических величин (например, тока и напряжения, тока и сопротивления и т. д.), называются комбинированными; – приборы, чувствительность которых может быть изменена пользователем посредством выбора соответствующего диапазона измерения, называются многопредельными. В последнее время получили распространение приборы с автоматическим выбором предела измерения. В лабораторных работах курса электромагнетизма применяются следующие основные электроизмерительные приборы: амперметры (для измерения силы постоянного или переменного тока), вольтметры (для измерения разности потенциалов, падений напряжения, величины ЭДС источников), омметры (для измерения электрических сопротивлений), гальванометры (для измерения очень малых токов), электрометры (для измерений очень малых напряжений). Эти приборы могут быть как стрелочными, так и цифровыми. Применяются также нуль-индикаторы (стрелочные приборы для точной установки нуля электрической величины в схемах сравнения), электронные осциллографы (для исследования формы переменных электрических токов и напряжений). 1.3. Основные характеристики электроизмерительных приборов Предел измерения прибора. Предел измерения шкального прибора определяется как значение измеряемой электрической величины, при котором указатель находится на конечном делении шкалы. Многопредельные приборы снабжены переключателем, с помощью которого выбирается нужный предел измерения. Пределом измерения цифрового прибора является максимальное значение измеряемой величины, которое может отображаться на цифровом табло прибора. Цена деления численно равна значению измеряемой электрической величины, вызывающей перемещение указателя шкалы на одно деление. У многопредельных приборов цена деления на разных пределах будет разной. Кроме того, у некоторых приборов с неравномерной шкалой цена деления может быть разной в разных секторах шкалы на одном и том же пределе измерения. Для определения цены деления следует значение предела измерения разделить на количество делений, нанесенных на шкалу. Чувствительность определяется как величина, обратная цене деления прибора. Класс точности. Цена деления шкалы является мерой абсолютной погрешности измерения. Однако относительная погрешность измерения прибором определяется как отношение цены деления к пределу измерения прибора. Это отношение, выраженное в процентах, называется классом точности прибора. Следует отметить, что стрелочные приборы обеспечивают относительную погрешность измерения, соответствующую паспортному классу точности, только тогда, когда при измерении стрелка находится в последней трети шкалы. Поэтому при выборе измерительного прибора или при выборе предела измерения многопредельным прибором следует стремиться к возможно более близкому к измеряемой величине значению предела измерения. По численному значению класса точности электроизмерительные приборы подразделяются на следующие категории (табл. 1.1). Таблица 1.1 Классы точности электроизмерительных приборов Назначение прибора Классы точности 1. Образцовые (средства поверки других приборов) 2. Лабораторные 3. Технические 0,05; 0,1; 0,2 0,5; 1,0; 1,5 2,0; 2,5; 4,0 При оформлении результатов расчетов, проводимых в лабораторных работах, обязательно указывается доверительный интервал полученной электрической величины, характеризующий меру точности измерений. Для определения доверительного интервала величины, полученной измерением стрелочным прибором, следует предел измерения умножить на класс точности и разделить на 100 (так как класс точности указывается в процентах). Пример 1. Измерения производятся с помощью лабораторного амперметра класса точности 1 с пределом измерения 5 А. Измеренное значение тока оказалось 4,75 А. Доверительный интервал измерения Δ= 1 • 5/100= 0,05 А. Следовательно, результат измерения следует записать в виде: I = 4,75 ± 0,05 А. Цифровые приборы обеспечивают, как правило, более высокую точность измерения. Относительная погрешность цифрового прибора указывается в его формуляре. Приближенно абсолютную погрешность измерения можно принять равной единице младшего разряда и, исходя из этого, рассчитать доверительный интервал результата измерения. Пример 2. Эти же измерения производятся с помощью цифрового амперметра с пределом измерения 5 А. Табло прибора содержит 4 разряда. Измеренное значение тока оказалось 4,754 А. Доверительный интервал измерения Δ = 0,001 А. Следовательно, результат измерения следует записать в виде I = 4,754 ± 0,001 А. 1.4. Системы стрелочных электроизмерительных приборов 1.4.1. Приборы магнитоэлектрической системы В промышленности применяется множество разнообразных типов стрелочных электроизмерительных приборов. Рассмотрим наиболее широко распространенные системы. Следует подчеркнуть, что независимо от того, для измерения какой электрической величины предназначен стрелочный прибор, для его работы необходим некоторый ток, протекающий по катушке, входящей в состав стрелочного прибора, или по другому конструктивному элементу прибора. Поэтому стрелочные приборы, являясь дополнительным элементом в цепи, в которой производятся измерения, всегда в некоторой степени искажают измеряемую величину. Принцип работы прибора магнитоэлектрической системы основан на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и магнитного поля, создаваемого измеряемым током, протекающим по обмотке подвижной катушки. Угол поворота катушки, преодолевающей сопротивление спиральной пружины, пропорционален протекающему по ней току. С катушкой жестко связана стрелка. Таким образом, приборы магнитоэлектрической системы имеют равномерную шкалу. Другим достоинством приборов магнитоэлектрической системы является их высокая чувствительность. Основным недостатком приборов этой системы является их чувствительность к перегрузкам (превышению предельного значения измеряемого тока). Кроме того, приборы магнитоэлектрической системы непосредственно могут измерять только постоянный ток. Для измерения переменного тока его необходимо предварительно выпрямлять. 1.4.2. Приборы электромагнитной системы Работа приборов электромагнитной системы основана на воздействии на подвижную часть прибора магнитного поля, создаваемого измеряемым током при прохождении его через неподвижную катушку. Подвижная часть движется не поступательно, а поворачивается вокруг оси, закручивая спиральную пружину. С осью жестко связана стрелка прибора. Такую систему можно приближенно рассматривать как электромагнит, у которого подъемная сила пропорциональна квадрату вектора магнитной индукции. Следовательно, шкала приборов электромагнитной системы также близка к квадратичной. Достоинством приборов этой системы является возможность измерения как постоянных, так и переменных токов, высокая механическая прочность и устойчивость к электрическим перегрузкам. К их основным недостатками относятся неравномерность шкалы, пониженная точность и чувствительность к внешним магнитным полям. 1.4.3. Приборы электродинамической системы Принцип работы электродинамических приборов основан на взаимодействии магнитных полей катушек, по которым протекает измеряемый ток. Одна из катушек неподвижная, другая при протекании тока поворачивается вокруг оси, преодолевая сопротивление спиральной пружины. Достоинства и недостатки приборов электродинамической системы такие же, как и у приборов электромагнитной системы. Дополнительным преимуществом этой группы приборов является возможность непосредственного измерения мощностей. В этом случае шкала прибора равномерная. 1.4.4. Приборы электростатической системы Этот тип электроизмерительных приборов применяется для измерения высоких напряжений в цепях постоянного и переменного тока. Работа прибора основана на взаимодействии электрических полей подвижной и неподвижной пластин, к которым приложено измеряемое напряжение. Подвижная пластина жестко связана со стрелкой или с устройством управления световым зайчиком. Приборы этой системы, в отличие от других, не потребляют тока (сопротивление статического вольтметра бесконечно велико). 1.4.5. Приборы тепловой системы Эти приборы применяются для измерений больших токов в цепях постоянного и переменного тока. При прохождении тока через чувствительный элемент прибора последний нагревается за счет джоулева тепла и, удлиняясь, перемещает стрелку. |