Математика 5 класс. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ учебнометодическое пособие
 Скачать 1.31 Mb.
|
|
А.А. Королёв С.А. Курашова А.В.Смирнов ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Часть первая Санкт-Петербург 2016 УНИВЕРСИТЕТ ИТМО А.А. Королёв С.А. Курашова А.В.Смирнов ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ Учебно-методическое пособие Часть первая Санкт-Петербург 2016 МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Королёв А.А., Курашова С.А. Смирнов А.В. Электричество и магнетизм. Методические рекомендации по выполнению лабораторных работ. Часть первая – СПб: Университет ИТМО, 2016. – 59 с. Пособие содержит методические рекомендации к выполнению лабораторных работ и теоретические сведения, необходимые для объяснения результатов эксперимента. При подготовке данного пособия использованы материалы научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) техники эксперимента Новосибирского государственного технического университета. Для выполнения лабораторных работ используются установки, разработанные НИЛ техники эксперимента Новосибирского государственного технического университета, производства OOO «Опытные приборы». Учебно-методическое пособие разработано в соответствии с программой курса «Физика» (Б.2.2.2) Федерального образовательного стандарта высшего образования для бакалавров по направлениям подготовки 01.03.02, 44.03.04, 13.03.02, 24.03.02, 12.03.01, 12.03.02, 12.03.05, 12.03.03, 11.03.02, 11.03.03, 27.03.04, 15.03.06, 16.03.01, 09.03.01, 09.03.02. Рекомендовано к печати на заседании Ученого совета ЕНФ , 1 ноября 2016г, протокол №1. Университет ИТМО – ведущий вуз России в области информационных и фотонных технологий, один из немногих российских вузов, получивших в 2009 году статус национального исследовательского университета. С 2013 года Университет ИТМО – участник программы повышения конкурентоспособности российских университетов среди ведущих мировых научно-образовательных центров, известной как проект «5 в 100». Цель Университета ИТМО– становление исследовательского университета мирового уровня, предпринимательского по типу, ориентированного на интернационализацию всех направлений деятельности. Университет ИТМО, 2016 А.А. Королёв , С.А. Курашова А.В.Смирнов, 2016 СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа №1 Изучение картины эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электростатического поля с помощью электролитической ванны………………………………………………………………………... 4 Лабораторная работа №2 Изучение электрических сигналов с помощью электронного осциллографа……………………………………………………………….. 13 Лабораторная работа №3 Исследование характеристик источника тока ……………………………………………………………………………….. 28 Лабораторная работа №4 Методы измерения электрического сопротивления……………………………………………………………… 35 Лабораторная работа №5 Сегнетоэлектрик……………………………………………………………. 38 Лабораторная работа №6 Изучение процесса заряда и разряда конденсатора……………………… 44 3 Лабораторная работа №1 ИЗУЧЕНИЕ КАРТИНЫ ЭКВИПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ И СИЛОВЫХ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОЛИТИЧСКОЙ ВАННЫ Цель работы: Осуществить построение эквипотенциальных линий электростатического поля с помощью экспериментального моделирования в проводящей среде, в которой протекает переменный ток. Требуемое оборудование Модульно учебные комплексы: 1. Модульный учебный комплекс МУК-ЭМ1; Приборы: 1. Блок амперметра-вольтметра АВ1. 2. Генератор напряжений ГН1. 3. Электролитическая ванна ЭВ01 . 4. Проводящие тела разной формы. 5. Проводники Ш4/Ш1,6 : 4 шт. 6. Листы масштабно координатной бумаги (миллиметровки) формата А4: 2шт. Описание блока амперметр-вольтметр АВ1.. Рис.1 Схема рабочей панели АВ1 4 Назначение Амперметр-вольтметр АВ1 предназначен для проведения лабораторных практикумов в ВУЗах. Прибор применяется в составе модульных учебных комплексов серий МУК-ЭМ (Электричество и магнетизм), МУК-ОК (квантовая оптика), МУК-ТТ1 (твердое тело), МУК- ФОЭ1 (Физические основы электроники) и МУК-ЭТ1(Электротехника). Прибор предназначен для: − Измерения постоянного напряжения; − Измерения амплитуды переменного напряжения; − Измерения постоянной силы тока; − Измерения амплитуды переменной силы тока. Электрические параметры и характеристики − Индикатор показаний вольтметра 3 1 / 2 разряда (max 1999); − Индикатор показаний амперметра 3 1 / 2 разряда (max 1999); − Пределы измерения постоянного напряжения: ±2В, ±20В, ±200В; − Пределы измерения амплитуды переменного напряжения: 2В, 20В, 200В; − Пределы измерения постоянной силы тока: ±20мкА, ±200мкА, ±2000мкА, ±20мА, ±200мА, ±2000мА; − Пределы измерения амплитуды переменной силы тока: 20мкА, 200мкА, 2000мкА, 20мА, 200мА, 2000мА; − Активное входное сопротивление вольтметра при измерении постоянного напряжения не менее 1 МОм; − Входная ёмкость вольтметра при измерении переменного напряжения не более 50 пФ; − Частотный диапазон прибора, не менее 30 кГц; − Падение напряжения на входных клеммах амперметра не превышает 200 мВ; − Предел допускаемой основной погрешности при измерении постоянных величин, не более 5% от предела измерения; − Предел допускаемой основной погрешности при измерении переменных величин (во всем частотном диапазоне), не более 10% от предела измерения; − Защита по току и напряжению при неправильно выбранных пределах. Конструктивные параметры − Масса прибора не более 3 кг; − Габаритные размеры прибора 250*150*85мм. Органы управления 1. индикатор значения тока; 5 2. индикатор выбранного предела измерений амперметра; 3. кнопка переключения пределов измерений амперметра; 4. индикатор значения напряжения; 5. индикатор выбранного предела измерений вольтметра; 6. кнопка переключения пределов измерений вольтметра; 7. кнопка выключателя “Сеть”; 8. входные гнезда измерителя тока; 9. кнопка переключения мА / мкА; 10. кнопка переключения постоянный / переменный сигнал; 11. входные гнезда измерителя напряжения. 12. кнопка переключения постоянный / переменный сигнал Описание генератора напряжений ГН1 Назначение Генератор напряжений многофункциональный ГН1 предназначен для: 1. Генерации постоянного напряжения с регулируемым уровнем; 2. Генерации синусоидального напряжения с восемью фиксированными частотами и регулируемой амплитудой. ( Значения четырёх частот указаны на генераторе, остальные четыре частоты, обозначенные X1, X2, X3, X4, должны быть определены студентами в процессе выполнения работы. 3. Генерации однополярных прямоугольных импульсов с частотой, равной частоте синусоидального напряжения. Электрические характеристики Генератор постоянного напряжения имеет следующие параметры: 1. Выходное регулируемое напряжение 0-15 В; 2. Выходной ток до 1А ± 10%; 3. Защита от перегрузки по току ( отключение выхода); 4..Внутреннее сопротивление блока при выключенном внешнем сопротивлении практически равно 0. Генератор переменного напряжения имеет следующие параметры: 1. Два типа сигналов: а) Синусоидальный; б) Однополярные прямоугольные импульсы; 2.Восемь фиксированных частот, одинаковых для всех типов сигналов: четыре указаны на передней панели и соответствуют следующим значениям: 6 40 ± 5Гц; 400 ± 50Гц 1200 ± 100Гц 2500 ± 200Гц Четыре частоты ( X1, X2, X3, X4) предполагаются неизвестными, то есть определить их нужно в процессе выполнения лабораторной работы; 3. Электронное переключение фиксированных частот; 4. Выходное напряжение (амплитудное) источника синусоидального напряжения 0 ÷ 15В 5. Выходное сопротивление источника синусоидального напряжения 10 Ом ± 10% 6. Выходное напряжение генератора импульсов 3 В ± 10%; 7. Внутреннее сопротивление генератора импульсов 4,3 Ом ± 10%. Схема панели управления Рис 2.Схема рабочей панели генератора ГН-1 На рис 2 показана схема панели управления генератора напряжений ГН-1. 1. Кнопка выключателя “Сеть”; 2 и 3 Выходные гнёзда генератора постоянного напряжения (2-“земля”, 3- “сигнал”); 4 Регулировка выходного напряжения блока генератора постоянного напряжения; 7 5. Выключатель внутреннего сопротивления 𝑅𝑅 = 680 Ом блока генератора постоянного напряжения; 6. Индикатор перегрузки блока генератора постоянного напряжения; 7. Кнопки переключения частот; 8. Индикатор выбранного диапазона заданных частот; 9. Индикатор выбранного диапазона неизвестных частот; 10. Регулировка выходного напряжения блока генератора синусоидального напряжения; 11 и 12. Выходные гнёзда генератора синусоидального напряжения (11- “земля”, 12-“сигнал”); 13 и 14. Выходные гнёзда генератора прямоугольных импульсов (13- “земля”, 14-“сигнал”). Краткое теоретическое введение Структуру электростатического поля можно представить графически с помощью силовых линий и с помощью эквипотенциальных поверхностей (на чертеже обычно изображают сечения таких поверхностей). Силовые линии строятся так, чтобы касательная в каждой точке такой линии совпадала с вектором E электрической напряженности в этой же точке. Густота силовых линий качественно характеризует величину напряженности электростатического поля: в области, где линии идут гуще — модуль вектора E больше. Поскольку вектор электрической напряженности в данной точке пространства определяет величину и направление силы действующей на любой точечный заряд, помещенный в данную точку, этот вектор называют силовой характеристикой электростатического поля. Другая, энергетическая, характеристика электростатического поля — потенциал ϕ. Работа сил электростатического поля над зарядом при перемещении этого заряда по произвольной траектории определяется разностью потенциалов между началом и концом траектории. Поверхности равного потенциала φ = const называются эквипотенциальными поверхностями. Силовая и энергетическая характеристики электростатического поля связаны друг с другом соотношением: E = −∇ϕ (1) Градиент потенциала, стоящий в правой части этого соотношения в декартовой системе координат определяется формулой 8 i j k x y z ∂ϕ ∂ϕ ∂ϕ ∇ϕ = + + ∂ ∂ ∂ , (2) где x,y,z — координаты, , , i j k — орты координатных осей. Из свойств градиента следует, что: • силовые линии пересекают эквипотенциальные поверхности под прямым углом; • вектор напряженности направлен в сторону убывания потенциала; • модуль вектора напряженности определяет пространственную быстроту убывания потенциала в направлении силовой линии. Последнее означает, что, если известны потенциалы ϕ 1 и ϕ 2 двух точек, лежащих на одной силовой линии (см.рис.1), то средняя напряженность между этими точками вычисляется по формуле 1 2 12 12 E l ϕ − ϕ = , (3) где l 12 – длина участка силовой линии между точками. Если относительное изменение локального значения напряженности между выбранными точками невелико, то формула (3) дает значение близкое к напряженности на середине участка 1-2. Рис.3. АА’– эквипотенциальная поверхность с потенциалом ϕ 1 , ВВ’– с потенциалом ϕ 2 ; 1 и 2 – две точки одной силовой линии Методика проведения эксперимента В слабо проводящую среду, которая представляет собой недистиллированную воду в электролитической ванне 1, помещают два металлических проводника 2 и 3, подсоединенных к источнику переменного тока 4 (рис.1). Так как проводимость среды намного меньше проводимости помещенных в нее металлических электродов, то потенциал в разных точках этих электродов с достаточной степенью точности можно считать одинаковым. При этом топография поля в пространстве между 9 ними будет такой же, какой была бы топография электростатического поля между заряженными проводниками, помещенными в однородную непроводящую среду. В однородной изотропной среде j E = σ , здесь j - вектор плотности тока в проводящей среде, σ - удельная электропроводность (проводимость) среды. .Метод моделирования электростатического поля в проводящей среде основан на аналогии уравнений, описывающих электрическое поле в вакууме и в изотропной проводящей среде. Метод является удобным для практики, так как позволяет получить путем экспериментального моделирования сложную картину электростатического поля, аналитический расчет которого зачастую невозможен из-за сложности граничных условий. Использование переменного тока позволяет предотвратить выделение на электродах составных частей электролита. Для переменного синусоидального тока в электролите переменное электрическое поле не является потенциальным, в каждой точке напряжение изменяется со временем. Однако понятие «эквипотенциальной поверхности» как поверхности постоянно изменяющегося, но одинакового по амплитуде потенциала можно считать справедливым. Разные эквипотенциальные поверхности при этом характеризуются разным значением амплитуды напряжения. Для моделирования электростатического поля в данной работе применяется электролитическая ванна ЭВ1, в состав которой входят: − Пластмассовая ванна; − Электроды; − Координатная сетка; − Металлическое кольцо; − Металлическое остриё. Ниже приведена схема подключения ванны к генератору напряжения и измерительным приборам. Рис.3. Схема подключения 10 Рекомендуемое задание к работе 1. Согласуйте с преподавателем конфигурацию исследуемого поля. 2. Соберите схему согласно рис. 1. 3. Оцифруйте на листе масштабно-координатной бумаги в определенном масштабе координатную сетку и отметьте на ней положение и форму электродов . 4. Подключите электроды к генератору звуковых частот. Установите напряжение около 15 В и частоту в диапазоне от 50 до 200 Гц. 5. С помощью вольтметра 6 найдите точки, равноотстоящие по потенциалу (эквипотенциальные поверхности принято проводить так, чтобы между любыми соседними эквипотенциальными поверхностями разность потенциалов была бы одна и та же). Число эквипотенциальных поверхностей - не менее пяти. Число точек, принадлежащих одной эквипотенциальной поверхности – не менее семи. Зонд 5 при измерениях держите вертикально. Занесите данные в таблицу (Примеры таблиц для различных конфигураций электродов приведены ниже): Таблица 1. Зависимость потенциала от координаты для модели плоского конденсатора № точки 1 2 3 4 5 6 7 8 X , см φ, В Таблица 2. Зависимость потенциала от координаты для модели плоского цилиндрического конденсатора № точки 1 2 3 4 5 6 7 8 r, мм φ, В 6. По полученной картине эквипотенциальных линий проведите 6-7 силовых линий. 7. Оцените величину Е - напряженности электрического поля в разных точках пространства. 8. Положите в ванну проводящее тело (по указанию преподавателя, например, кольцо). 9. Начертите картину поля, повторив п.5-6. 10. Оцените величину Е - напряженности электрического поля в разных точках пространства. Докажите, что поле неоднородно. 11 Литература 1. Детлаф А. А., Яворский Б. М. Курс физики.— 8-е изд., стер. — М.: Издательский центр "Академия", 2009. 2. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2014. 2. Курепин В.В., Баранов И.В. Обработка экспериментальных данных: Методические указания к лабораторным работам. – СПб, 2012. – 57 с. 12 Лабораторная работа №2 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ С ПОМОЩЬЮ ЛАБОРАТОРНОГО ОСЦИЛЛОГРАФА Цель работы: Ознакомление с устройством осциллографа, изучение с его помощью процессов в электрических цепях. Приборы: 1. Осциллограф лабораторный ОЦЛ2 1 шт. 2. Генератор звуковых сигналов ЗГ1 1 шт. 3 . Генератор напряжений ГН1 1 шт. Описание осциллографа лабораторного ОЦЛ2. Осциллограф лабораторный ОЦЛ2 предназначен для проведения практикумов по курсам физики и электротехники. Прибор применяется в составе модульных лабораторных учебных комплексов МУК-ЭМ (по электричеству) и МУК-ЭТ (по электротехнике), а также самостоятельно. Осциллограф лабораторный предназначен для визуального наблюдения и исследования электрических сигналов путем: − измерения амплитудных и временных параметров исследуемого сигнала; − одновременного изображения двух исследуемых сигналов на одной развертке; − изображения функциональных зависимостей между двумя сигналами в режиме X-Y. Технические характеристики Прибор обеспечивает следующие режимы работы: − Канал I; − Канал II; − I, II; − I+II; − X-Y. Диапазоны измерения каждого канала: − амплитуды постоянного напряжения от ± 25*10 -3 до ± 80 В; − амплитуды переменного напряжения от 25*10 -3 до 80 В; 13 Диапазон значений коэффициентов отклонений каналов: 25; 50 мВ/дел.; 0,1; 0,25; 0,5; 1; 2,5; 5; 10 В/дел. Диапазон значений временной развертки: 20; 50 мкс/дел.; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5 мс/дел. Активное входное сопротивление прибора при измерении постоянного напряжения не менее 1 МОм; Входная ёмкость каждого канала не более 30 пФ; Максимальная частота дискретизации 1 МГц; Режим синхронизации – автоматический по переднему фронту; Разность фаз между каналами вертикального и горизонтального отклонений в режиме X-Y не более 10° в полосе частот от 20 Гц до 100 кГц. Размер экрана 115х85 мм; Размер точки экрана 0,4х0,4 мм; Предел допускаемой основной погрешности при отображении сигнала, не более 10% от предела измерения; Защита по напряжению при неправильно выбранных пределах |