Электричество. Электричество лаб. Методические указания к лабораторным работам по физике для студентов иэм технических специальностей всех форм обучения
 Скачать 2.69 Mb.
|
|
Задание 3. Определение емкости последовательно соединенных конденсаторов. Соединить конденсаторы, емкости которых были определены в задании 2, последовательно. 1. Включить ключ К1, ключ К2 установить в положение 1. 2. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U. 3. Перевести ключ К2 в положение 2 и определить величину отклонения n светового луча. Повторить измерения три раза. 4. Найти среднее значение отклонения луча: nср = (n1 + n2 +n3)/3. 5. Определить емкость конденсатора Cэкспер = Anср/U , где U — напряжение, до которого заряжен конденсатор. 6. Вычислить относительную погрешность измерения емкости: С = U + n/nср, где U — относительная погрешность определения напряжения. n — половина цены деления шкалы гальванометра. 7. Вычислить абсолютную погрешность измерения емкости: С = CС . Записать результат в виде: Cпосл. = Cэкспер ± С 8. Рассчитать теоретическое значение емкости  ,и сравнить ее с записанным в п.7 результатом. Задание 4. Определение емкости параллельно соединенных конденсаторов. Соединить конденсаторы, емкости которых были определены в задании 2, параллельно. 1. Включить ключ К1, ключ К2 установить в положение 1. 2. Потенциометром установить заданное преподавателем напряжение U. 3. Перевести ключ К2 в положение 2 и определить величину отклонения n светового луча. Повторить измерения три раза. 4. Найти среднее значение отклонения луча: nср = (n1 + n2 +n3)/3. 5. Определить емкость конденсатора Cэкспер = Anср/U , где U — напряжение, до которого заряжен конденсатор. 6. Вычислить относительную погрешность измерения емкости: С = U + n/nср, где U — относительная погрешность определения напряжения. n — половина цены деления шкалы гальванометра. 7. Вычислить абсолютную погрешность измерения емкости: С = CС . Записать результат в виде: Cпарал. = Cэкспер ± С 8. Рассчитать теоретическое значение емкости  = С1 + С2,и сравнить ее с записанным в п.7 результатом. Контрольные вопросы Что такое электрический конденсатор? Что такое емкость конденсатора? От чего зависит емкость? Приведите формулу емкости плоского конденсатора. Единицы электрического заряда, напряжения и емкости в СИ. Почему емкость батареи параллельно соединенных конденсаторов равна сумме емкостей каждого? Почему заряд на обкладках любого конденсатора при последовательном соединении будет одинаков? Как определить емкость батареи последовательно (параллельно) соединенных конденсаторов? Что такое баллистический гальванометр? Принцип действия баллистического гальванометра? Лабораторная работа 4 Исследование электростатического поля
Силовой характеристикой электрического поля является напряженность электрического поля  (В/м). Она численно равна силе, действующей на пробный единичный положительный заряд (+1Кл), помещенный в данную точку поля. Направление вектора напряженности электрического поля совпадает с направлением этой силы. Энергетической характеристикой электрического поля является потенциал (В). Он численно равен потенциальной энергии единичного положительного заряда (+1 Кл), помещенного в данную точку поля. Потенциальная энергия заряда равна работе сил электрического поля при перемещении этого заряда из данной точки поля в бесконечность. Напряженность численно равна быстроте изменения потенциала вдоль силовой линии:  Знак «–» указывает на то, что вектор напряженности направлен в сторону, противоположную направлению роста потенциала. Силовой линией называется воображаемая линия, в каждой точке которой касательная совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля. Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек, потенциалы которых равны. Силовые линии в любой точке перпендикулярны эквипотенциальной поверхности. В этой работе электрическое поле исследуется в проводящей среде, в качестве которой выбран лист бумаги 1, смоченный солевым раствором. Этот лист кладут на поверхность стеклянной пластины (см. рис). На лист устанавливают металлические электроды Э1 и Э2, отмечая их положение на бумаге. К электродам подключают постоянное напряжение 15 В. В соответствии со схемой установки, электрод Э1 имеет потенциал 1 = 0, а электрод Э2 имеет потенциал 2 = 15 В. Распределение потенциалов между электродами определяется при помощи зонда 2. Потенциометром Rна зонде устанавливается заданный потенциал, значение которого контролируется вольтметром V. Если при установке на бумагу зонд попадает в точку, потенциал которой отличен от его потенциала, то через гальванометр G идет электрический ток. Когда же зонд окажется в точке, потенциал которой совпадает с потенциалом зонда, ток через гальванометр идти не будет. Данная точка отмечается на бумаге. Затем находятся другие точки с таким же потенциалом и соединяются линией, которая является изображением эквипотенциальной поверхности. Под линией указывается ее потенциал. После этого устанавливают потенциометром другой потенциал, отличающийся на 2 — 3 В от прежнего и определяют положение новой эквипотенциальной поверхности. Построив систему эквипотенциальных поверхностей, проводят силовые линии электрического поля. Силовые линии начинаются и заканчиваются на отмеченных контурах электродов, пересекают эквипотенциальные поверхности под углом 90.
Порядок выполнения работы Получить допуск у преподавателя и приступить к выполнению работы. Намочить лист бумаги в солевом растворе. Положить его на стеклянную пластину. Расположить электроды согласно конфигурации, заданной преподавателем. Определить системы точек с потенциалами, заданными преподавателем (см. выше). Нарисовать эквипотенциальные поверхности. Указать их потенциалы. Нарисовать силовые линии электрического поля. Указать стрелками их направление. В областях, заданных преподавателем, вычислить среднее значение напряженности электрического поля:    где 1 и 2 — потенциалы соседних эквипотенциальных поверхностей; l — расстояние между эквипотенциальными поверхностями, взятое вдоль силовой линии. Контрольные вопросы Дайте определение напряженности электрического поля, указав единицы измерения напряженности. Дайте определение потенциала электрического поля, указав единицы измерения потенциала. Как связаны между собой напряженность и потенциал электрического поля? Как связана величина напряженности электрического поля с густотой эквипотенциальных поверхностей? Какие потенциалы имеют электроды? Можно ли электроды считать эквипотенциальными поверхностями? Лабораторная работа 5 Исследование неразветвленной электрической цепи
Электрический ток — упорядоченное движение зарядов, возникающее в проводнике под действием электрического поля. Сила тока I (A) численно равна заряду, который проходит через поперечное сечение проводника в единицу времени. Электродвижущая сила источника тока (В) численно равна работе, совершаемой сторонними силами (силами неэлектрического происхождения) по перемещению заряда +1 Кл по электрической цепи. Закон Ома для замкнутой цепи:  где R — внешнее сопротивление электрической цепи; r — внутреннее сопротивление источника тока. При коротком замыкании внешнее сопротивление равно нулю R = 0, в результате значение силы электрического тока принимает максимальное значение (ток короткого замыкания):  Когда внешнее сопротивление равно внутреннему сопротивлению значение силы тока равно половине значения тока короткого замыкания:  П Pa ри дальнейшем увеличении величины внешнего сопротивления сила тока в цепи уменьшается, асимптотически приближаясь к нулю (рис. 1, кривая 1).
Напряжение U(В)— физическая величина, равная работе, совершаемой кулоновскими и сторонними силами при перемещении заряда +1 Кл по электрической цепи. Напряжение на участке цепи равно: U = IR, (1) где I — сила тока на данном участке цепи; R — сопротивление участка цепи. При внешнем сопротивлении равном нулю R = 0, напряжение так же равно нулю (рис. 1, кривая 2). Если внешнее сопротивление равно внутреннему — напряжение равно половине значения ЭДС. При дальнейшем увеличении значения внешнего сопротивления напряжение возрастает, асимптотически приближаясь к значению ЭДС, и достигает этого значения при бесконечно большом значении внешнего сопротивления, что соответствует разомкнутой цепи. Мощность Р (Вт)— быстрота совершения работы. Полезная мощность Рa (Вт) — мощность, выделяемая на внешней нагрузке: Рa = I2 R = IU (2) При коротком замыкании (R = 0) и при разомкнутой цепи (R = ) полезная мощность равна нулю (рис. 2, кривая 1). Полезная мощность достигает своего максимального значения, когда внешнее сопротивление цепи равно внутреннему сопротивлению источника тока (R = r). Полная мощность определяется по формуле: Р = I Коэффициент полезного действия источника тока равен отношению полезной мощности к полной мощности:  (3)КПД равен нулю при коротком замыкании цепи (рис. 2, кривая 2). С увеличением значения внешнего сопротивления КПД возрастает. Когда величина внешнего сопротивления равна внутреннему — КПД равен 0,5. Порядок выполнения работы Задание 1. Исследование зависимости силы тока и напряжения от величины внешнего сопротивления электрической цепи
Определить ЭДС источника тока, подключив к его зажимам клеммы вольтметра V (рис. 3). Замкнуть ключ K. Установить движок реостата R в положение, соответствующее наибольшему напряжению. Определить миллиамперметром mA силу тока в цепи. Перемещая движок реостата, устанавливать напряжения, равные соответственно 0,9; 0,8; 0,7; … 0,1; 0. Снимать показания миллиамперметра. Занести данные измерений в таблицу.
По формуле 1 вычислить значения внешнего сопротивления электрической цепи для каждой пары измеренных токов и напряжений. В одних координатах построить графики I =f(R) и U =f(R) (рис. 1). Определить по этим графикам внутреннее сопротивление источника тока. Оно равно сопротивлению внешней цепи при котором I = Iк.з/2 и U = /2. Задание 2. Исследование зависимости полезной мощности и КПД от величины внешнего сопротивления электрической цепи. По формуле 2 вычислить полезную мощность для каждого значения величины внешнего сопротивления. Занести данные в таблицу. По формуле 3 вычислить КПД для каждого значения величины внешнего сопротивления. Занести данные в таблицу. В одних координатах построить графики Ра =f(R) и =f(R) (рис. 2). Контрольные вопросы Что называется электрическим током? Дайте определение ЭДС. Дайте определение электрического напряжения. Какие значения принимают сила тока и напряжение при коротком замыкании? Дайте определение мощности. Что называется полной мощностью? Что называется полезной мощностью? Дайте определение КПД источника тока. Что называется внутренним сопротивлением? Единицы измерения напряжения, силы тока, сопротивления, мощности, ЭДС в СИ. Как по графикам I =f(R) и U =f(R) определить значение величины внутреннего сопротивления? | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
