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
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.
| На главную |