Меню

Для выполнения лабораторной работы ученику требуется проверить зависимость силы тока от эдс

Лабораторная работа № 38

Изучение обобщённого закона Ома
и измерение электродвижущей силы
методом компенсации

Цель работы:

— изучение зависимости разности потенциалов на участке цепи, содержащем ЭДС, от силы тока;

— расчёт ЭДС и полного сопротивления данного участка.

Теоретическое введение

Для того чтобы поддерживать движение электрических зарядов в течение некоторого длительного времени, необходимо, кроме электрического поля, наличие в цепи сторонних полей. Сторонние поля действуют на носители тока внутри источников электрической энергии (гальванических элементов, аккумуляторов, электрических генераторов и т.п.).

Для электрического и сторонних полей вводятся силовая и энергетическая характеристики. Силовыми характеристиками являются векторы напряжённости и электрического и сторонних полей соответственно.

Направление вектора напряжённости поля совпадает с направлением соответствующей силы, действующей на положительный заряд. Величина напряжённости численно равна отношению силы к величине заряда:

Энергетической характеристикой электростатического поля является разность потенциалов j1 — j2, стороннего поля – электродвижущая сила E. Величина разности потенциалов равна отношению работы силы электростатического поля Аэл при перемещении малого точечного заряда q из точки 1 участка цепи в точку 2 к величине перемещаемого заряда:

j1 — j2 = .

Величина ЭДС – аналогична отношению работы силы стороннего поля Астор к величине q:

E = .

Между силовыми и энергетическими характеристиками электростатического и стороннего полей имеются сходные интегральные соотношения:

j1 — j2 = , E = .

Величина, численно равная суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда по участку цепи, называется напряжением U на этом участке цепи и равна:

U1-2 = (j1 — j2) + S Ei ,

где знак i – х ЭДС принимается положительным, если направление обхода от точки 1 к точке 2 (рис. 1) соответствует перемещению внутри источника Ei от знака «-» (катод) к знаку «+» (анод). В противном случае – отрицательным. Таким образом, на рис. 1 E1 будет отрицательной, а E2 – положительной.

Рис. 1

Если использовать определение напряжения U = IRп, где I – сила тока в цепи, Rп – полное сопротивление участка, включающее внутреннее сопротивление источника ЭДС на этом участке, то закон Ома принимает вид:

IRп = (j1 — j2) + S Ei . (1)

Выражение (1) называют обобщённым законом Ома или законом Ома для неоднородного участка цепи.

Участок цепи, в пределах которого не действуют сторонние силы, называется однородным, напряжение на нём равно U1-2 = j1 — j2, т. е. напряжение совпадает с разностью потенциалов.

За направление электрического тока принимают направление перемещения положительных зарядов. Произведение IRп берётся положительным, если направление тока совпадает с направлением обхода контура.

Рис. 2

Применим обобщённый закон Ома к участку цепи, изображённому на рис. 2. При решении задач с использованием обобщённого закона Ома направление тока, а также направление обхода контура выбираются произвольно. Выберем условно положительное направление тока, как показано на рисунке, и направление обхода от точки 1 к точке 2. Тогда для участка цепи 1 – E – R – 2 получим:

I(R + r) = (j1 — j2) + E . (2)

Обобщённый закон Ома, применённый к участку 1 – V – 2 (обход через вольтметр), имеет вид:

Iв rв = j1 — j2, (3)

где Iв – ток, проходящий через вольтметр, rв – сопротивление вольтметра.

Но произведение Iв rв – это показание вольтметра, следовательно, показание вольтметра, подключенного к концам любого участка цепи, всегда равно разности потенциалов между точками подключения прибора.

Из выражения (2), обозначив полное сопротивление участка
R + r через Rп, получим:

j1 — j2 = IRп — E,
j2 — j1 = E — IRп . (4)

Выражение (4) представляет собой уравнение прямой в координатах (j2 — j1, I), изображённой на рис. 3.

Рис. 3

Из (4) следует, что если сила тока в цепи равна нулю, то разность потенциалов источника ЭДС, включённого в рассматриваемый участок, j2 — j1 = E, а полное сопротивление участка цепи 1 – 2 равно тангенсу угла a наклона прямой (см. рис. 3):

Описание установки и методики измерений

Схема лабораторной установки приведена на рис. 4.

В состав установки входят:

— два источника питания ИП1 и ИП2 типа «HY 1802ED», используемых в качестве источников ЭДС «Е1» и «Е2»;

— два цифровых мультиметра типа «MAS 830B», используемых в качестве измерительных приборов: вольтметра «PV» и миллиамперметра «PA»;

— два адаптера типа «AC DC», используемых в качестве источников питания измерительных приборов.

Рис. 4
Рис. 5

На лицевой панели лабораторного модуля изображена электрическая схема установки (рис. 5) и расположены гнёзда для подключения измерительных приборов. К панели также подведены два гибких вывода, с помощью которых можно подключать с различной полярностью источника питания «Е1» с ЭДС E1 к исследуемому контуру.

Будем считать, что величина внешней регулируемой ЭДС E1 всегда известна, а постоянная величина E2, создаваемая источником питания «Е2», неизвестна, как и сопротивление участка 1-2. Определим их.

Выберем направление обхода контура от точки 1 к точке 2 (см. рис. 5), а за положительное направление тока примем направление от точки 2 к точке 1, тогда в соответствии с обобщённым законом Ома для участка цепи можно записать

(j1 — j2) – E2 = — IR или j1 — j2 = E2 — IR , (5)

а для замкнутой цепи

I(R + R) = E2 ± E1. (6)

Здесь знак «+» будет при согласном включении E2 и E1, а знак «-» при встречном.

Из (6) может быть найдено выражение для величины тока в цепи

Как видно из (7), изменяя величину E1, можно изменять и силу тока. При согласном включении E2 и E1 сила тока I растёт с ростом E1. Из (5) видно, что разность потенциалов j1 — j2 при этом линейно уменьшается и может достигнуть нулевого значения. При дальнейшем росте тока разность потенциалов на концах участка меняет знак на противоположный.

Читайте также:  Конденсатор в цепи постоянного тока microtechnics

Если E1 включена навстречу E2, величина тока I уменьшается с ростом E1 и при E2 = E1 становится равной нулю. При этом согласно (5)
j1 — j2 = E2, т. е. в момент компенсации тока вольтметр измеряет величину E2. Поскольку к точке 2 присоединена положительная клемма вольтметра, а j2>j1, то вольтметр покажет положительное значение E2. Дальнейший рост E1 приводит к изменению направления тока в цепи.

Порядок выполнения работы

1. Изучите состав лабораторной установки и ознакомьтесь с размещением приборов на рабочем месте.

2. Согласно рис. 5 источник «Е1» с ЭДС E1 подключить к гнездам 5, 6 лабораторного модуля соблюдая полярность (красный провод «+», черный «-»).

3. Источник «Е2» с ЭДС E2 имеет стационарное подключение к лабораторному модулю, электрическая принципиальная схема встречного включения источников «Е1» и «Е2» приведена на рис. 6а.

4. Мультиметр «РА» (миллиамперметр) соблюдая полярность подключить к гнездам 3, 4 лабораторного модуля.

5. Мультиметр «РV» (вольтметр) соблюдая полярность подключить к гнездам 1, 2 лабораторного модуля.

6. Установить органы управления приборов в исходное состояние:

— На источниках питания «Е1» и «Е2» повернуть регулятор напряжения «VOLTAGE» против часовой стрелки до упора, а регулятор тока «CURRENT» по часовой стрелке до упора.

— Переключатель режимов на измерительных приборах «РА» и «PV» установить в положение «OFF».

7. Подключить к электрической сети лабораторный модуль, источники питания и адаптеры измерительных приборов.

8. Включить приборы:

— На источниках питания «Е1» и «Е2» переключатель «I/O» установить в положение «I».

— На мультиметре «РА» (миллиамперметре) переключателем режимов установить предел измерения тока «20 mA».

— На мультиметре «РV» (вольтметре) переключателем режимов установить предел измерения постоянного напряжения «20 V».

9. Плавно вращая регулятор напряжения «VOLTAGE» установить напряжение источника питания «Е2» с ЭДС E2 равное 5 В.

10. Плавно вращая регулятор напряжения «VOLTAGE» установить напряжение источника питания «Е1» с ЭДС E1 равное 3 В.

11. Плавно изменяя регулятором «VOLTAGE» напряжение источника питания «Е1» в интервале 3-8 В с шагом в 1 В снять показания миллиамперметра «РА» и вольтметра «РV».

12. Результаты измерений тока I по показаниям миллиамперметра «РА»и разности потенциалов j1 — j2 по показаниям вольтметра «РV» (участок Е2 — R на рис. 5) занести в таблицу 1 для встречного включения источников питания «Е1» и «Е2».

При записи показаний измерительных приборов следует учитывать знаки соответствующих величин.

13. Изменить полярность подключения источника «Е1» с ЭДС E1 к лабораторному модулю. Согласно рис. 5. красный провод подключить к гнезду 6, черный – к гнезду 5, электрическая принципиальная схема согласного включения источников «Е1» и «Е2» приведена на рис. 6б.

14. Повторить измерения согласно пунктам 10 – 11.

15. Результаты измерений тока I по показаниям миллиамперметра «РА»и разности потенциалов j1 — j2 по показаниям вольтметра «РV» (участок Е2 — R на рис. 5) занести в таблицу 1 для согласного включения источников питания «Е1» и «Е2».

При записи показаний измерительных приборов следует учитывать знаки соответствующих величин.

16. По окончанию измерений выключить приборы:

— Переключатель режимов на измерительных приборах «РА» и «PV» установить в положение «OFF».

— На источниках питания «Е1» и «Е2» переключатель «I/О» установить в положение «O».

№ п/п Встречное включение E1 и E2 Согласное включение E1 и E2
I, мА j1 — j2, В I, мА j1 — j2, В
1 n
Рис. 6
а — принципиальная схема встречного включения источников «Е1» и «Е2»; б — принципиальная схема согласного включения источников «Е1» и «Е2».

Обработка результатов измерений

1. Используя данные таблицы 1, постройте зависимость:

j1 — j2 = f(I).

— Нанесите точки, соответствующие данным таблицы 1, на координатную плоскость, как показано на рис.7.

— Проведите прямую линию с учетом разброса экспериментальных значений до ее пересечения с осями абсцисс и ординат. Примерный вид прямой показан на рис. 7.

— Выше и ниже полученной зависимости выделите пунктирными линиями полосу разброса экспериментальных данных, как показано на рис. 7.

Рис. 7

2. Определите из графика значение разности потенциалов D(j1 — j2), соответствующее значению I = 0, а также ток короткого замыкания Iк при условии D(j1 — j2) = 0.

3. Рассчитайте значение сопротивления R по формуле:

4. Определите из графика значения погрешностей определения тока DI и разности потенциалов Dj.

— Для определения погрешности измерения тока проведите прямую параллельную оси абсцисс (см. рис.7). Погрешность определения тока DI равна половине разности токов 2DI, соответствующих точкам пересечения проведенной прямой с полосой разброса экспериментальных данных.

— Для определения погрешности измерения разности потенциалов проведите прямую параллельную оси ординат. Погрешность определения разности потенциалов Dj равна половине разности 2Dj, соответствующей точкам пересечения проведенной прямой с полосой разброса экспериментальных данных.

5. Сравните значение D(j1 — j2) со значением E2, проверив соотношение:

D (j1 — j2) — Dj £ E2 £ D (j1 — j2) + Dj.

Контрольные вопросы

1. Каков физический смысл ЭДС? В каких единицах измеряется ЭДС?

2. В чём сущность измерения ЭДС методом компенсации?

3. Какой физический смысл имеет электрический потенциал?

4. Какое направление принимают за положительное направление тока в цепи?

5. Как определяется знак ЭДС при расчёте электрических цепей?

Источник

Задание 23 ЕГЭ по физике

Механика — квантовая физика, методы научного познания

В задании 23 ЕГЭ по физике мы применяем свои знания и умения для проведения физических экспериментов и лабораторных работ.

В задании требуется выбрать необходимый набор оборудования для практического определения какой-либо физической величины.

Здесь также возможен выбор оборудования для выявления экспериментальной зависимости одной физической величины от другой или для проведения опыта по заданной гипотезе.

Читайте также:  L65p2us уменьшить ток подсветки

Как выполнять задание 23 ЕГЭ по физике?

  1. На первом этапе необходимо определить, какие физические величины должны быть постоянными, а какие в ходе эксперимента изменяются.
  2. На втором этапе требуется объединение нескольких экспериментов в группы по постоянству физической величины.
  3. На третьем этапе из созданных групп надо выбрать номера экспериментов, соответствующих условию задачи.
  1. Ученику необходимо на опыте обнаружить зависимость объёма газа, находящегося в сосуде под подвижным поршнем, от внешнего давления.
    У него имеются пять различных сосудов с манометрами. Сосуды наполнены одним и тем же газом при различной температуре и давлении (см. таблицу).

Какие два сосуда необходимо взять ученику, чтобы провести данное исследование?

Запишите в таблицу номера выбранных сосудов.

Согласно условию, в эксперименте проверяется гипотеза зависимости объёма газа, находящегося в сосуде под подвижным поршнем, от внешнего давления. Следовательно, остальные физические величины должны быть постоянными и не будут влиять на ход эксперимента. Из данных таблицы можно выделить две группы.

Первая – №№ сосудов 1 и 2; вторая – №№ сосудов 3, 4, 5. Распределение по группам сделано на основании постоянства температуры: для первой группы – 50 °С, для второй группы – 20 °С.

В первой группе находятся сосуды с массами газов 10 г и 15 г. Так как в проведении эксперимента не говорится о разных массах исследуемых газов, то эта выборка не удовлетворяет условию задачи.

Во второй группе объединены сосуды с массами газов 15 г, 10 г, 15 г. Рассуждая аналогично, условию проведения эксперимента будут соответствовать сосуды с № 3 и № 5. Дополнительно можно убедиться, что в этих сосудах созданы различные внешние давления 150 кПа и 200 кПа, которые именно влияют на объем газа в сосудах.

Секрет решения. Важно иметь опыт решения таких задач. На первый взгляд, задание кажется запутанным, но надо правильно представить, что должно влиять на ход эксперимента, а что не должно меняться. Тогда выбор оборудования для реализации гипотезы или опыта станет очевидным.

  1. Необходимо экспериментально изучить зависимость заряда, накопленного конденсатором, от внутреннего сопротивления аккумулятора.

Какие две схемы следует использовать для проведения такого исследования?

В этой задаче можно объединить схемы под № 1, № 3, № 5

Распределение по группам сделано на основании постоянства ЭДС. Из первой группы можно выделить схемы под номерами № 1 и № 5.

На них указаны одинаковые значения ЭДС, одинаковые сопротивления резисторов и одинаковые емкости конденсаторов. Схемы отличаются разными внутренними сопротивлениями источников тока. Согласно условию, именно эти схемы подходят для исследования зависимости заряда, накопленного конденсатором, от внутреннего сопротивления аккумулятора.

Секрет решения. В этой задаче очень важно увидеть все элементы, использованные на схеме. Идеально, если вы поймете, как этот эксперимент выполняется в реальности. Тогда выбор двух схем для исследования будет несложным.

  1. Необходимо собрать экспериментальную установку и определить с её помощью внутреннее сопротивление аккумуляторной батареи. Для этого школьник взял аккумулятор, ключ, вольтметр и реостат. Какие два предмета из приведённого ниже перечня оборудования необходимо дополнительно использовать для проведения этого эксперимента?
1) лампа накаливания;
2) конденсатор;
3) соединительные провода;
4) амперметр;
5) секундомер.

В ответ запишите номера выбранных оборудований.

В подобной задаче, где требуется экспериментально определить значение физической величины, надо соблюсти два условия.

  1. Использовать необходимую формулу, при помощи которой можно провести расчет неизвестной физической величины.
  2. Подкрепить свои рассуждения и расчеты пояснительным рисунком или электрической схемой.

Решение данной задачи основывается на законе Ома для полной цепи.

Из этой формулы надо выразить внутреннее сопротивление источника тока.

Схема для проведения эксперимента представлена на рисунке.

При разомкнутом ключе К вольтметр показывает значение ЭДС источника тока, при замкнутом – падение напряжения на внешнем участке цепи, равное напряжению на реостате.

Для нахождение внутреннего сопротивления аккумуляторной батареи необходимо измерить значение ЭДС, падение напряжения на внешнем участке цепи (напряжение на реостате) и определить величину силы тока. Для этого необходимо использовать следующие приборы: вольтметр, амперметр, ключ, реостат, соединительные провода, аккумуляторную батарею. Так как часть этих приборов дается по условию задачи, вам надо добавить только амперметр и соединительные провода.


Секрет решения.
В подобных задачах надо вспомнить физическую формулу, позволяющую рассчитать искомую физическую величину. Это могут быть формулы для расчета периодов колебаний математического (нитяного) и пружинного маятников, формулы законов Ома для участка цепи и для полной цепи и т. д. Затем свой «воображаемый эксперимент» можно изобразить на рисунке или схеме. Тогда выбор необходимого оборудования станет очевидным.

Источник

Для выполнения лабораторной работы ученику требуется проверить зависимость силы тока от эдс

Ученик изучал в школьной лаборатории колебания математического маятника. Результаты измерений каких величин дадут ему возможность рассчитать период колебаний маятника?

1) массы маятника m и знание табличного значения ускорения свободного падения g

2) длины нити маятника l и знание табличного значения ускорения свободного падения g

3) амплитуды колебаний маятника А и его массы m

4) амплитуды колебаний маятника А и знание табличного значения ускорения свободного падения g

При проведении эксперимента ученик исследовал зависимость модуля силы упругости пружины от длины пружины, которая выражается формулой F(l) = k |l минус <l data-lazy-src=

Какое(-ие) из утверждений соответствует(-ют) результатам опыта?

А. Длина пружины в недеформированном состоянии равна 3 см.

Б. Жесткость пружины равна 200Н/м.

Необходимо экспериментально обнаружить зависимость периода колебаний пружинного маятника от жесткости пружины.

Какую пару маятников можно использовать для этой цели? На рисунке пружины и грузы изображены в состоянии равновесия.

Необходимо экспериментально выяснить зависимость периода малых колебаний математического маятника от вещества, из которого изготовлен груз. Какую пару маятников (см. рисунок) можно взять для этой цели?

Грузы маятников — полые шарики из меди и алюминия одинаковой массы и одинакового внешнего диаметра.

При измерении напряжения на концах проволочной спирали четыре ученика по-разному подсоединили вольтметр. Результат этих работ изображен на рисунке.

Какой из учеников подсоединил вольтметр правильно?

Пучок белого света, пройдя через призму, разлагается в спектр.

Была выдвинута гипотеза, что ширина спектра, получаемого на стоящем за призмой экране, зависит от угла падения пучка на грань призмы. Необходимо экспериментально проверить эту гипотезу. Какие два опыта нужно провести для такого исследования?

Проводники изготовлены из одного и того же материала.

Какую пару проводников нужно выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость сопротивления проводника от его длины?

Проводники изготовлены из разных материалов.

Какую пару проводников нужно выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость сопротивления проводника от его удельного сопротивления?

Конденсаторы заполнены одинаковыми диэлектриками.

Какую пару конденсаторов нужно выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость емкости конденсатора от площади его пластин?

Конденсаторы заполнены одинаковыми диэлектриками.

Какую пару конденсаторов нужно выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость емкости конденсатора от расстояния между его пластинами?

Конденсаторы заполнены разными диэлектриками.

Какую пару конденсаторов нужно выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость емкости конденсатора от диэлектрической проницаемости?

При измерении силы тока в проволочной спирали R четыре ученика по-разному подсоединили амперметр. Результат изображен на рисунке. Укажите верное подсоединение амперметра.

Чтобы экспериментально проверить, что жесткость упругого стержня зависит от его длины, надо использовать пару стальных стержней

Два сосуда заполнены разными жидкостями. Какую пару сосудов надо выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость давления столба жидкости от ее плотности?

Два сосуда заполнены одинаковой жидкостью. Какую пару сосудов надо выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость давления столба жидкости от высоты столба?

Проводники изготовлены из одного и того же материала.

Какую пару проводников нужно выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость сопротивления проволоки от ее диаметра?

Была выдвинута гипотеза, что размер мнимого изображения предмета, создаваемого рассеивающей линзой, зависит от оптической силы линзы. Необходимо экспериментально проверить эту гипотезу. Какие два опыта можно провести для такого исследования

Ученик изучал в школьной лаборатории колебания пружинного маятника. Результаты измерений каких двух величин он должен знать, чтобы определить жесткость пружины маятника?

1) амплитуду колебаний маятника А и его период колебаний Т

2) амплитуду колебаний маятника А и массу m груза

3) ускорение свободного падения g и амплитуду колебаний маятника А

4) период колебаний маятника Т и массу m груза

Два шара полностью погружены в жидкости разных плотностей. Какую пару шаров надо выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость силы Архимеда от плотности жидкости?

Два шара сделаны из различных материалов. Какую пару шаров надо выбрать, чтобы на опыте обнаружить зависимость масс от плотности?

Чтобы определить молярную массу газа, находящегося в равновесном состоянии, достаточно знать значение универсальной газовой постоянной и измерить

1) Температуру газа T,его массу mи давление p

2) Плотность газа \rho ,его температуру Tи давление p

3) Плотность газа \rho ,его массу mи температуру T

4) Давление газа p,его объем Vи его температуру T

Источник



Лабораторная работа «Определение ЭДС» 10 класс

Нажмите, чтобы узнать подробности

Данную разработку можно использовать дл проведения урока.

Просмотр содержимого документа
«Лабораторная работа «Определение ЭДС» 10 класс»

Лабораторная работа № 5

Тема: Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока.

Цель работы: научиться измерять ЭДС (E) источника тока и косвенными измерениями определять его внутреннее сопротивление.

Оборудование:

аккумулятор или батарейка для карманного фонаря;

Теоретическая часть

При разомкнутом ключе (рисунок) ЭДС источника тока равна напряжению на внешней цепи. В эксперименте источник тока замкнут на вольтметр, сопротивление которого Rв должно быть много больше внутреннего сопротивления источника тока г. Обычно сопротивление источника тока достаточно мало, поэтому для измерения напряжения можно использовать школьный вольтметр со шкалой 0-6 В и сопротивлением Rв = 900 Ом (см. надпись под шкалой прибора). Так как Rв » г, отличие E от U не превышает десятых долей процента, а потому погрешность измерения ЭДС равна погрешности измерения напряжения.

Внутреннее сопротивление источника тока можно измерить косвенным путем, сняв показания амперметра и вольтметра при замкнутом ключе. Действительно, из закона Ома для замкнутой цепи (см. § 108) получаем E = U + Ir, где U = IR — напряжение на внешней цепи (R — сопротивление реостата). Поэтому гпр = (Eпр — Uпр)/Iпр. Для измерения силы тока в цепи можно использовать школьный амперметр со шкалой 0-2 А. Максимальные погрешности измерений внутреннего сопротивления источника тока определяются по формулам εпр = (ΔE + ΔU)/(Eпр — Uпр) + ΔI/Iпр, Δr = rпрεr

Указания к работе

1. Подготовьте бланк отчета со схемой электрической цепи и таблицей для записи результатов измерений и вычислений.

Источник