ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Лабораторная работа № 3.1 ИЗУЧЕНИЕ
ЗАКОНА ОМА
Цель работы: 1) знакомство с простейшими
электрическими схемами и приобретение навыков работы с электро-измерительными
приборами;
2) экспериментальная проверка закона Ома для участка электрической
цепи.
Схема экспериментальной установки

БП – блок питания:
В – выпрямитель;
П
– потенциометр;
V – вольтметр;
K – ключ;
А – миллиамперметр;
R
– магазин сопротивлений
Теория метода
Как известно, сила тока на
участке цепи прямо пропорциональна напряжению (разности потенциалов) U на этом
участке и обратно пропорциональна его сопротивлению R (или прямо пропорциональна
величине
):
. (1)
Выражение (1), хорошо известное
как закон Ома для участка цепи, позволяет, в частности, определить сопротивление
этого участка по измеренным значениям силы тока и напряжения:
. (2)
Если, не меняя напряжения, измерять
силу тока при различных значениях сопротивления, то, согласно (1), напряжение
U будет коэффициентом пропорциональности между током I и величиной 1/R. Таким
образом, график зависимости I (1/R) должен представлять собой прямую, проходящую
через начало координат. Значение напряжения можно найти как тангенс угла наклона
этой прямой к оси абсцисс:
. (3)
Источником питания в экспериментальной
установке служит переменное (сетевое) напряжение. Выпрямитель В, входящий в состав
блока питания БП, преобразует это напряжение в постоянное. Потенциометр П позволяет
изменять величину постоянного напряжения U на выходе из блока питания (практически
это осуществляется вращением ручки на панели БП). Измеряется величина U вольтметром
V, шкала которого также выведена на панель БП.
Исследуемый участок цепи
состоит из последовательно соединенных ключа K, миллиамперметра А, служащего для
измерения силы тока I, и магазина сопротивлений R (сопротивление миллиамперметра
и подводящих проводов пренебрежимо малы).
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
КОЭФФИЦИЕНТА ВЯЗКОСТИ ЖИДКОСТИ ПО МЕТОДУ СТОКСА Цель работы: 1) изучение
законов движения тела в вязкой среде; 2) экспериментальное определение коэффициента
вязкости жидкости.
ИЗУЧЕНИЕ
ЗАКОНОВ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА Цель работы: 1) изучение
кинематических и динамических характеристик вращательного движения; 2) экспериментальное
определение момента инерции крестовины маятника Обербека и момента сил трения;
3) проверка справедливости закона сохранения (превращения) энергии механической
системы.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ
ТЕПЛОЕМКОСТЕЙ ГАЗА МЕТОДОМ АДИАБАТИЧЕСКОГО РАСШИРЕНИЯ 1) изучение
первого начала термодинамики в различных изопроцессах; 2) экспериментальное
определение показателя адиабаты для воздуха.
ИССЛЕДОВАНИЕ
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ 1) экспериментальное нахождение точек
заданного потенциала на плоской модели электростатического поля; 2) построение
эквипотенциальных и силовых линий поля; 3) расчет характеристик поля по результатам
экспериментального исследования.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ 1) практическое
изучение магнитного поля кругового тока и принципа суперпозиции полей; 2) экспериментальное
определение горизонтальной составляющей магнитного поля Земли.
ИЗУЧЕНИЕ
МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ снятие основной кривой намагничивания
и петли гистерезиса ферромагнетика.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОН МЕТОДОМ МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКИ 1) изучение движения
заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; 2) экспериментальное
определение удельного заряда электрона.
ПРУЖИННЫЙ
МАЯТНИК 1) изучение свободных колебаний пружинного маятника; 2) экспериментальное
определение коэффициента жесткости пружины и коэффициента сопротивления среды.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
СКОРОСТИ ЗВУКА МЕТОДОМ СТОЯЧИХ ВОЛН 1) изучение волнового процесса
и механизма образования стоячих волн; 2) экспериментальное определение скорости
звука в воздухе.
ИЗУЧЕНИЕ ЗАТУХАЮЩИХ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ КОЛЕБАНИЙ 1) изучение характеристик затухающих электромагнитных
колебаний; 2) экспериментальное определение параметров колебательного контура.
ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ
СВЕТА. ОПЫТ ЮНГА 1) наблюдение интерференционной картины от двух параллельных
щелей в монохроматическом свете; 2) определение длины волны лазерного излучения.
ИЗУЧЕНИЕ ДИФРАКЦИИ СВЕТА НА
ОДИНОЧНОЙ ЩЕЛИ И ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКЕ 1) наблюдение картины дифракции
Фраунгофера от одиночной щели и дифракционной решетки в монохроматическом свете;
2) экспериментальное определение ширины щели и периода дифракционной решетки
ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО
ИЗЛУЧЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ ЯРКОСТНОГО ПИРОМЕТРА 1) ознакомление с принципом
действия яркостного пирометра и практическое измерение яркостной температуры нагретого
тела; 2) применение закона Кирхгофа и формулы Планка для определения истинной
температуры тела; 3) экспериментальная проверка справедливости закона Стефана-Больцмана.
ФОТОЭФФЕКТ 1) снятие
вольт-амперной характеристики (ВАХ) вакуумного фотоэлемента; 2) определение
работы выхода электронов и красной границы фотоэффекта.
ИЗУЧЕНИЕ
ОПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОВ ИСПУСКАНИЯ. АТОМ ВОДОРОДА 1) ознакомление с устройством
и принципом работы спектроскопа; 2) наблюдение линейчатых спектров испускания
и градуировка спектроскопа; 3) анализ спектра излучения атома водорода на
основе теории Бора.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭНЕРГИИ АКТИВАЦИИ ПОЛУПРОВОДНИКА 1) изучение температурной зависимости
сопротивления полупроводника; 2) экспериментальное определение энергии активации.
СНЯТИЕ
ВАХ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА 1) изучение контактных явлений в полупроводниках;
2) снятие вольт-амперной характеристики р – п-перехода.
РАДИОАКТИВНОСТЬ.
ПОГЛОЩЕНИЕ b-ИЗЛУЧЕНИЯ В ВОЗДУХЕ 1) практическое ознакомление с одним
из методов регистрации радиоактивного излучения; 2) экспериментальное определение
линейного коэффи-циента поглощения b-излучения в воздухе, а также активности радиоактивного
препарата.
ИЗУЧЕНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ
ИЗМЕРЕНИЯ УСКОРЕНИЯ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА
1) изучение колебаний математического маятника: измерение периода его
колебаний и определение ускорения свободного падения; 2) оценка случайной
и приборной погрешностей измерения; изучение зависимости ширины доверительного
интервала от числа опытов и доверительной вероятности.
Порядок измерений
и обработки результатов
Упражнение 1. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СИЛЫ ТОКА ОТ
НАПРЯЖЕНИЯ
1. Ознакомьтесь с электроизмерительными приборами. Определите
класс точности вольтметра KV и миллиамперметра KА , а также их пределы измерения
Umax и Imax . Запишите величины KV , KA , Umax и Imax в тетрадь.
Рассчитайте цену деления этих приборов
2. Ознакомьтесь с магазином
сопротивлений. Определите его класс точности KM и запишите эту величину в тетрадь.
Вращением соответствующих ручек (ручку «´1000» не трогать!) установите рекомендуемое значение сопротивления
R0 (в пределах от 1000 до 1500 Ом) и также запишите его в тетрадь.
3. Включите в сеть блок питания БП и замкните ключ К.
4. Вращением
ручки потенциометра на панели БП установите начальное значение напряжения U = 3 В.
5. Со шкалы миллиамперметра снимите значение силы тока I. Показания приборов
(величины U и I ) занесите в соответствующие столбцы табл. 1.
6. Увеличивая на один вольт значение подаваемого напряжения U, повторите
действия, описанные в п. 5, еще четыре раза.
7. Переводя силу
тока I в амперы, вычислите по формуле (2) и занесите в таблицу значения сопротивления
R для каждого опыта.
8. Рассчитайте сумму найденных значений сопротивления
и запишите ее в первую ячейку « S = ». Найдите среднее значение сопротивления
.
9*. Вычислите и
занесите в таблицу отклонения DR каждого
из значений сопротивления от среднего, а также квадраты этих отклонений. Сумму
квадратов отклонений занесите во вторую ячейку « S = ». Выполните все расчеты, необходимые
для оценки случайной погрешности DsR.
Найдите величину DsR, задаваясь доверительной
вероятностью a = 0,95.
10*. По классу точности и пределу измерения приборов определите абсолютные
приборные погрешности измерения напряжения d U
и силы тока d I, а также относительные
ошибки EU и EI .
11*. Оцените абсолютную приборную погрешность
косвенного измерения сопротивления d R. При необходимости воспользуйтесь формулой
.
12*. Оцените полные абсолютную
D и относительную Е погрешности. Сделав
необходимые округления, запишите окончательный результат измерения сопротивления.
Сопоставьте полученный доверительный интервал с установленным значением сопротивления
магазина R0.
13*. Вычислите абсолютную приборную ошибку сопротивления
магазина

и оцените его доверительный интервал
R0 ± d R0 . Сравните его с ранее полученным
интервалом. Сделайте выводы о характере зависимости силы тока от напряжения на
участке электрической цепи.
Упражнение 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТОКА ОТ
СОПРОТИВЛЕНИЯ
1. Ручкой потенциометра установите рекомендуемое значение
напряжения U0 . Запишите это значение в тетрадь.
2. Установите
на магазине сопротивлений начальное значение R = 1000 Ом.
3. Со шкалы миллиамперметра снимите значение силы тока I. Переведите это
значение в амперы. Показания приборов (величины R и I ) занесите в табл. 2.
4. Увеличивая значение сопротивления магазина с помощью ручки «´100»
на 100 Ом, повторите действия, перечисленные в п. 3, еще семь раз.
5. Отключите установку от сети.
6. Постройте график зависимости
силы тока I от величины
. Сделайте вывод о характере зависимости силы тока от
сопротивления участка цепи.
7. Проведите сглаживающую прямую через
начало координат и экспериментальные точки. Выберите на этой прямой две точки
(одной из них может быть начало координат) и по тангенсу угла наклона прямой,
используя формулу (3), рассчитайте значение напряжения U.
8. Сравните
полученное значение U с ранее записанным показанием вольтметра U0 . Оцените
их относительное отклонение
.
Контрольные вопросы
Сила тока
(определение). Закон Ома для однородного участка цепи.
Закон Ома для неоднородного
участка цепи.
Закон Ома для замкнутой цепи.
Закон Ома в дифференциальной
форме.
Сопротивление проводника. Получить выражение для последовательного
и параллельного соединений сопротивлений.