Лабораторные работы электричество. Физика. Электричество и магнетизм
 Скачать 1.74 Mb.
|
|
9. Как оценить допускаемую погрешность сопротивления, измеряемого цифровым мультиметром? 10. В каких координатах имеют линейный характер температурные зависимости сопротивления 1) проводника, 2) полупроводника 11. Запишите уравнение температурной зависимости сопротивления 1) проводника) полупроводника (линеаризованное. 12. Как определяют ТКС проводника 13. Какая формула связывает угловой коэффициент экспериментальной прямой и величину W полупроводника 14. Опишите способы определения углового коэффициента прямой по графику. Литература 1. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М Высшая школа, 1989.– §§ 18.4, 43.3, 43.4 (п. 2. Калашников, С.Г. Электричество / С.Г. Калашников.– М Наука, 1977. – §§ 60, 151, 154. 36 Работа № 4 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ВРЕМЕНИ ЦЕПИ, СОДЕРЖАЩЕЙ СОПРОТИВЛЕНИЕ И ЕМКОСТЬ ЦЕЛЬ изучить закон изменения напряжения при разряде конденсатора, определить постоянную времени цепи и ее сопротивление R. ОБОРУДОВАНИЕ генератор постоянного напряжения, секундомер, муль- тиметр, миниблоки Ключ, Конденсатор. Введение При зарядке или разряде конденсатора вцепи (рис. 1) протекает изменяющийся электрический ток. Если этот ток I изменяется не слишком быстро итак, что в каждый момент времени величина I одинакова во всех точках контура, то для мгновенных значений справедливы законы постоянного тока. Такие медленно изменяющиеся токи называют квазистационарными. Ток в контуре длины l будет квазистационарным, если он устанавливается практически мгновенно, те. если время его установления, равное t = l/c (c = 3 10 8 мс – скорость распространения электромагнитного поля, много меньше, чем – характерное для данной цепи время изменения тока. В случае изменения тока по экспоненциальному закону величина называется постоянной времени цепи – время, за которое ток изменяется в e = 2,71 раза, а в случае электрических колебаний условие квазистационарности токов есть l T c , где T – период колебаний. Методизме рений В данной работе измерение постоянной времени цепи основано на изучении процесса разряда конденсатора через сопротивление R. При этом вцепи (см. рис. 1) протекает электрический ток dQ I dt (1) Здесь Q – заряд конденсатора, пропорциональный напряжению U на его обкладках) где C – емкость конденсатора. Согласно закону Ома квазистационарный ток U I R (3) Рис. 1. Разряд конденсатора 37 Используя соотношения (1), (2), (3), составляем дифференциальное уравнение, описывающее изменение напряжения конденсатора стечением времени t: dU U dt RC Разделяя в этом уравнении переменные и решая его интегрированием от начального момента t = 0 (напряжение U 0 ) до текущего t (напряжение U): 0 0 1 , U t U dU dt U RC получаем зависимость напряжения конденсатора от времени (рис. 2): 0 t RC U U e , или / 0 t U U e , (4) где – постоянная времени цепи, содержащей емкость и сопротивление, = RC. (5) Линеаризуем зависимость (4) путем логарифмирования 0 1 ln ln U U t (6) График этой линейной зависимости представлен на рис. 2. Таким образом, исследуя зависимость напряжения на конденсаторе от времени, можно экспериментально определить постоянную времени цепи, сопротивление цепи R, если известна емкость C, емкость конденсатора, если известно сопротивление R, через которое он разряжается. Описание установки Электрическая схема установки показана на рис. 3, монтажная схема – на рис. 4. Конденсатор заряжается до напряжения U 0 от генератора постоянного напряжения 1. Затем ключ 2 размыкают, и конденсатор начинает разряжаться через подключенный к нему вольтметр 5, имеющий большое входное сопротивление. По вольтметру 5 можно следить за текущим значением напряже- Рис. 2. Зависимость напряжения на конденсаторе и его натурального логарифма от времени 38 ния на конденсаторе, которое изменяется по установленному выше закону (4). Рис. 3. Электрическая схема 1 – генератор постоянного напряжения (постоянное регулируемое напряжение 0…+15 В 2 – ключ 3 – миниб- лок Ключ 4 – мини-блок Конденсатор 5 – мультиметр (режим V 20 В, входы COM, V ) Порядок выполнения работы Выполнение измерений 1. Соберите электрическую цепь по монтажной схеме, приведенной на рис. 4. 2. Поворачивая ручку 6 генератора постоянного напряжения (см. рис. 4), установите на конденсаторе напряжение от 10 до 15 В (по заданию преподавателя. Отключите конденсатор от генератора, переведя ключ в положение В, и по мере разряда конденсатора через каждые 5 секунд записывайте показания вольтметра в таблицу. Рис. 4. Монтажная схема 6 – ручка регулировки напряжения 0...+15 В 3, 4, 5 – см. на рис. 3 39 4. Подсоедините параллельно конденсатору второй конденсатор и повторите аналогичные измерения. Таблица t, c С мкФ С мкФ U 1 , B ln U 1 U 2 , B ln U 2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Средняя точка Обработка результатов измерений 1. Рассчитайте и запишите в таблицу емкость конденсатора С по формуле для параллельного соединения. 2. Для каждого конденсатора постройте графики зависимостей U = f(t) и ln U=f(t) на одном поле чертежа, располагая ось напряжения U с левой стороны, а ось ln U – с правой. 3. Определите по графику ln U=f(t) угловой коэффициент К линейной зависимости) (см. приложение 1) и постоянную времени цепи К 4. Рассчитайте сопротивление вольтметра R по формуле (5) для каждого значения емкости. 5. Оцените относительную погрешность измеренных величин 2 С, где К – погрешность углового коэффициента (см. (4) в приложении 1). 6. В выводе по работе сделайте анализ полученных экспериментальных зависимостей и оцените точность метода определения постоянной времени. 40 Контрольные вопросы. Какой ток называют квазистационарным Сформулируйте условие квази- стационарности электрического тока. 2. Какие физические законы и формулы используются для получения зависимости напряжения от времени при разряде конденсатора 3. По какому закону изменяются со временем при разряде конденсатора следующие величины 1) заряд обкладки, 2) напряжение конденсатора, 3) ток вцепи. Какую величину называют постоянной времени цепи и что она показывает. Как связана постоянная времени цепи с параметрами этой цепи 6. Укажите режим работы мультиметра при проведении измерений измеряемая величина, режим и входы для подключения мульиметра. 7. Какое назначение имеет источник питания в исследуемой электрической цепи 8. С какой целью в работе строят график зависимости ln U = f(t)? 9. Каким образом можно показать, что опытная зависимость является экспоненциальной. Как экспериментально определяют постоянную времени цепи, содержащую и C? 11. Каким способом в данной работе измеряют сопротивление вольтметра 12. Какие формулы используют в работе для определения следующих величина) постоянной времени цепи, б) сопротивления мультиметра? 13. Как оценивают в работе погрешность определения постоянной времени Литература. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М Высшая школа, 1989.– §§ 19.1, 27.3. 2. Калашников, С.Г. Электричество / С.Г. Калашников.– М Наука, 1977. – §§ 73, 74. 41 Работа № 5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА ЦЕЛЬ освоить приборы и методы измерения сопротивления проводников, определить удельное сопротивление проводника. ОБОРУДОВАНИЕ миниблок Сопротивление проводника, генератор постоянного напряжения, мультиметры, магазин сопротивлений, миниб- локи Сопротивление. Введение Электрическое сопротивление характеризует противодействие проводника протеканию тока. Для постоянного тока согласно закону Ома U R I (1) Это активное сопротивление зависит от формы и размеров проводника 0 l dl R S (2) Для однородного проводника с поперечным сечением S и длиной l Удельное электрическое сопротивление является характеристикой материала проводника. В соответствии с формулой (2) измерение величины сводится к измерению сопротивления проводника постоянному току R и геометрических параметров проводника l и S. Методы измерений В работе реализуют три метода измерения сопротивления проводника 1) технический метод – по измеренным значениям тока и напряжения 2) с использованием омметра 3) с помощью моста Уитстона. Технический метод можно осуществить по схеме рис. 1. При этом точно измеряется ток I через сопротивление R и суммарное напряжение U = U R + U A = IR + IR A . Это позволяет рассчитать неизвестное сопротивление R, если известно сопротивление амперметра R A : R = U / I – А (3) Использование омметра является наиболее простым методом достаточно подключить измеряемое сопротивление к входам омметра. 42 Рис. 1. Электрическая схема 1 – генератор постоянного напряжения (постоянное регулируемое напряжение 0…+15 В 2 – мультиметр (режим V 20 В, входы COM, V ); 3 – мультиметр (режим A 200 mA, входы COM, mA); 4 – миниблок Сопротивление проводника с сопротивлением R. В основе работы омметров обычно лежит приближенный технический метод шкалу прибора градуируют с использованием формулы (3) при фиксированном напряжении U батареи элементов. Этот метод используют, когда ненужна высокая точность измерений. Наиболее точным является метод измерений с помощью моста постоянного тока. Измерительные мосты – это высокоточные приборы, предназначенные для измерения электрических сопротивлений, емкостей, индуктивностей и других параметров методом уравновешенных мостовых цепей. На рис. 2 приведена схема простейшего моста Уитстона, который используется для измерения величин сопротивлений. Рис. 2. Электрическая схема простейшего моста Уитстона: 1 – магазин сопротивлений с сопротивлением м 2 – миниблок Сопротивление проводника с сопротивлением R; 3 – мультиметр (режим А 200 mA, входы COM, mA); 4 – миниблок Сопротивление с сопротивлением R 1 = 100 Ом 5 – миниблок Сопротивление с сопротивлением R 2 = 10 Ом 6 – ми- ниблок Сопротивление с сопротивлением R o = 470 Ом 7 – генератор постоянного напряжения (стабилизированное напряжение +15 В) Подбирая значение сопротивлениям, добиваются равенства потенциалов точек аи б, при этом тока, текущий через амперметр,обращается в нуль. В таком уравновешенном состоянии для моста можно записать 43 мм = I 1 R 1 ; IR = I 2 R 2 ; м I; I 1 = Используя эти соотношения, получаем расчетную формулу R = м R 2 /R 1 (4) Для ограничения тока, протекающего через мост, используют ограничительное сопротивление Описание установки Технический метод и метод измерения с помощью омметра Электрическая схема технического метода показана на рис. 1, монтажная – на рис. 3. В качестве омметра используют мультиметр: режим 200 Ом, входы COM, Рис. 3. Монтажная схема 5 – ручка регулировки напряжения 0…+15 В (блок ГПН); 2, 3, 4 – см. на рис. 2 44 Метод измерения с помощью моста Уитстона Электрическая схема моста Уитстона показана на рис. 2, монтажная – на рис. 4. Порядок выполнения работы Выполнение измерений а) технический метод 1. Соберите электрическую цепь (см. рис. 1) по монтажной схеме, приведенной на рис. 3. 2. Установите ручку 5 генератора постоянного напряжения в крайнее левое положение. Включите генератор. 3. Установите ручкой 5 ток I = 10 мА. Значения тока и напряжения запишите в таблицу. 4. Проведите аналогичные измерения для токов, указанных в таблице. 5. Выключите генератор постоянных напряжений. Рис. 4. Монтажная схема 45 Таблица l= мм d= мм S = d 2 /4= мм 2 Технический метод R A =1 Ом Омметр Мостовой метод I, мОм, Ом R, Ом 10 20 … 50 Среднее б) измерение омметром 1. Подключите омметр к блоку Сопротивление проводника (см с. 12). 2. Установите требуемый режим и диапазон измерения. 3. Запишите показания прибора в таблицу (число на индикаторе равно сопротивлению, выраженному в Омах. в) измерение мостом Уитстона 1. Соберите монтажную схему (см. рис. 4) по схеме (см. рис. 2). 2. Установите все декады магазина сопротивлений в нулевое положение. 3. Подберите на декадах магазина сопротивлений такое сопротивлением, при котором показания амперметра будут находиться вблизи нуля а) начните с декады с наибольшим сопротивлением б) увеличьте сопротивление декады на одно значение в) если ток, текущий через амперметр, уменьшился, ноне изменил знак, то продолжайте увеличивать сопротивление декады г) как только знак тока изменится на противоположный, то сопротивление магазина больше сопротивления исследуемого проводника и переключатель следует вернуть в предыдущее положение, после чего перейти к подбору сопротивления следующей декады д) подбирайте сопротивление на декадах магазина до тех пор, пока показание амперметра не будет равно нулю. 4. Вычислите по формуле (4) измеряемое сопротивление. Результат с точностью до трех значащих цифр запишите в таблицу. 46 Обработка результатов измерения 1. Рассчитайте сопротивление проводника в техническом методе. 2. Рассчитайте удельное сопротивление проводника = RS / l, используя значение, полученное наиболее точным методом – мостовым. Определите материал проводника, сравнив полученное значение с табличными значениями для проводников. По полученным результатам сделайте вывод, не забудьте указать источник справочной информации. 3. Оцените погрешности измеренных величина) в техническом методе по разбросу полученных значений R = (R max – R min )/2; б) для омметра см. св) при использовании моста погрешность R составляет 0,5 единицы последнего записанного разряда числа например, для результата измерений R = 8,37 Ом величина R = 0,005 Ом и соответствующая ей R = 0,06 %. 4. В выводе по работе сравните результаты, полученные различными методами измерений, и сопоставьте точность этих методов. Контрольные вопросы. От каких величин зависит электрическое сопротивление проводника 2. Укажите формулу для расчета сопротивления по размерам проводника. 3. От каких величин зависит удельное сопротивление проводника 4. Назовите методы измерений сопротивления проводника. 5. Запишите формулы для определения сопротивления проводника в техническом методе. Какие величины измеряют в этом методе 6. Что лежит в основе работы цифрового мультиметра (омметра 7. Укажите режим работы цифрового мультиметра при измерении сопротивления. Запишите условия равновесия для моста Уитстона. 9. По какой формуле определяют сопротивление при измерении мостом 10. Как оценивают погрешности измерений, выполняемых в работе 11. Какие из используемых в работе методов являются более точными, а какие приближенными Литература. Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский. – М Высшая школа, 1989.– §19.1. 2. Калашников, С.Г. Электричество / С.Г. Калашников.– М Наука, 1977. – §§ 57–59. 47 Работа № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА МЕТОДОМ МАГНЕТРОНА ЦЕЛЬ ознакомиться с одним из методов определения удельного заряда частицы и определить удельный заряд электрона. ОБОРУДОВАНИЕ генератор постоянного напряжения, миниблок Магнетрон, мультиметры. Введение Явления электронной эмиссии и разряда в газе позволяют получать потоки электронов и ионов, движущихся в вакууме практически без соударений. Электрические и магнитные поля, воздействуя на движущиеся заряженные частицы, изменяют их скорость и траекторию. В электрическом поле напряженности E на частицу, обладающую зарядом Q, действует сила эл F QE (1) В магнитном полена движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца л, ] F Q B , (2) где v – скорость движения частицы B – вектор магнитной индукции. Уравнение движения частицы в пространстве, где имеются и электрическое, и магнитное поля, согласно второму закону Ньютона имеет следующий вид v [v, ] d Q E B dt m (3) Это уравнение показывает, что движение заряженной частицы в силовых полях зависит от отношения Q/m, которое называется удельным зарядом данной частицы. Следовательно, изучая движение различных заряженных частиц в электрическом и магнитном полях, можно определить удельный заряд частицы и тем самым получить сведения о природе частиц. Удельный заряд электрона можно определить различными методами. Наиболее распространенными из них являются метод магнитной фокусировки и метод магнетрона. Методизме рений В данной работе для определения удельного заряда электрона используют метод магнетрона. Магнетрон – это двухэлектродная электронная лампа (диод, в которой управление током осуществляют внешним магнитным полем. Это поле создается соленоидом, внутри которого расположена лампа. Накаливаемый катод и холодный анод лампы имеют форму коаксиальных (соосных) цилиндров (рис. 1). 48 Линии электрического поля |