Меню

Определение мощности источника тока лабораторная

Лабораторная работа по физике для 8-го класса:«Измерение мощности и работы тока в электрической лампе»

Цели урока:

  • закрепить знания учащихся о работе и мощности электрического тока, научить рассчитывать стоимость электроэнергии, потребляемой бытовыми электроприборами и способам её экономии;
  • развивать практические умения и навыки пользования приборами для измерения параметров электрических цепей, совершенствовать учебно-информационные навыки (умение обрабатывать информацию и составлять таблицы), развивать наблюдательность, инициативу, внимание, память, воображение, творческие способности и познавательный интерес учащихся к физике;
  • воспитывать самостоятельность и коммуникативность через работу в группах, бережное отношение к своему здоровью (через знания о правилах безопасного использования электроприборов, с которыми мы соприкасаемся в жизни).

Тип урока:

Вид урока:

Оборудование урока (комплект для выполнения лабораторной работы):

  • источник питания;
  • низковольтная лампа на подставке;
  • вольтметр;
  • амперметр;
  • ключ;
  • соединительные провода;
  • секундомер (или часы с секундной стрелкой);

Электричество – сколько оно стоит?…

“Электричество – сколько оно стоит?… ”

План урока

Этапы урока

Время, мин

Приёмы и методы

І. Организационный момент, сообщение плана работы на уроке.

ІІ. Инструктаж по правилам техники безопасности.

ІІІ. Выполнение лабораторной работы.

Информация учителя, практические действия учащихся.

V. Расчёт стоимости электроэнергии (творческое задание №2).

Решение расчётной задачи.

VI. Подведение итогов урока.

VII. Домашнее задание

Ход урока

I. Организационный момент (2 минуты)

ІІ. Инструктаж по правилам техники безопасности (2 минуты)

Инструкция по технике безопасности при проведении лабораторной работы «Измерение мощности и работы тока в электрической лампе»

  1. Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания учителя.
  2. Не приступайте к выполнению работы без разрешения учителя.
  3. Размещайте приборы, материалы, оборудование на своём рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.
  4. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов.
  5. Следите за исправностью всех креплений в приборах и приспособлениях.
  6. При сборке экспериментальных установок используйте провода с наконечниками с прочной изоляцией без видимых повреждений.
  7. При сборке электрической цепи избегайте пересечения проводов.
  8. Источник тока к электрической цепи подключайте в последнюю очередь.
  9. Не прикасайтесь к находящимся под напряжением элементам цепей, лишённым изоляции.
  10. По окончании работы отключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь.

ІІІ. Выполнение лабораторной работы (25 минут)

Учитель рассказывает (и демонстрирует) порядок выполнения лабораторной работы:

  • собрать цепь из источника питания, лампы, амперметра и ключа, соединив всё последовательно;
  • подключить вольтметр параллельно лампе, замкнуть ключ и измерить напряжение ( U ) на лампе;
  • измерить амперметром силу тока ( І ) в цепи;
  • начертить в тетради схему собранной цепи и записать показания приборов;
  • вычислить мощность тока в лампе по формуле Р=UхI;
  • рассчитать работу тока в лампе по формуле А=UxIxt, измерив время ( t ) горения лампы в цепи;

схема

Проводник

Напряжение U, В

Сила тока I, А

Время t, сек

Источник

Лабораторные работы по физике

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.7.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Фамилия И.О. _____________ Группа ______ Дата ______

Цель данной работы – экспериментально проверить теоретические выводы о зависимости полезной мощности и КПД источника тока от сопротивления нагрузки.

Электрическая цепь состоит из источника тока, подводящих проводов и нагрузки или потребителя тока. Каждый из этих элементов цепи обладает сопротивлением.

Сопротивление подводящих проводов обычно бывает очень мало, поэтому им можно пренебречь. В каждом участке цепи будет расходоваться энергия источника тока. Весьма важное практическое значение имеет вопрос о целесообразном расходовании электрической энергии.

Полная мощность Р, выделяемая в цепи, будет слагаться из мощностей, выделяемых во внешней и внутренней частях цепи: P = I 2 ·R + I 2 ·r = I 2 (R + r) . Так как I(R + r) = ε , то Р =I·ε,

где R – внешнее сопротивление; r – внутреннее сопротивление; ε – ЭДС источника тока.

Таким образом, полная мощность, выделяемая в цепи, выражается произведением силы тока на ЭДС элемента. Эта мощность выделяется за счет каких-либо сторонних источников энергии; такими источниками энергии могут быть, например, химические процессы, происходящие в элементе.

Читайте также:  Индукционный ток прямого проводника

Рассмотрим, как зависит мощность, выделяемая в цепи, от внешнего сопротивления R, на которое замкнут элемент. Предположим, что элемент данной ЭДС и данного внутреннего сопротивления r замыкается внешним сопротивлением R; определим зависимость от R полной мощности Р, выделяемой в цепи, мощности Р а , выделяемой во внешней части цепи и КПД.

Сила тока I в цепи выражается по закону Ома соотношением

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image001.png

Полная мощность, выделяемая в цепи, будет равна

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image002.png

При увеличении R мощность падает, стремясь асимптотически к нулю при неограниченном увеличении R.

Мощность, выделяющаяся во внешней части цепи, равна

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image003.png

Отсюда видно, что полезная мощность Р а равна нулю в двух случаях – при R = 0 и R = ∞.

Исследуя функцию Р а = f(R) на экстремум, получим, что Р а достигает максимума при R = r, тогда

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image004.png

Чтобы убедится в том, что максимум мощности Р а получается при R = r, возьмем производную Р а по внешнему сопротивлению

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image005.png

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image006.png

По условию максимума требуется равенство нулю первой производной

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image008.pngr 2 = R 2 http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image007.jpg

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image009.pngR = r

Можно убедиться, что при этом условии мы получим максимум, а не минимум для Р а , определив знак второй производной http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image010.png.

Коэффициент полезного действия (КПД) η источника ЭДС это величина отношения мощности Р а , выделяющейся во внешней цепи, к полной мощности Р, развиваемой источником ЭДС.

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image011.png

В сущности КПД источника ЭДС указывает, какая доля работы сторонних сил преобразуется в электрическую энергию и отдается во внешнюю цепь.

Выражая мощность через силу тока I, разность потенциалов во внешней цепи U и величину электродвижущей силы ε, получим

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image012.png

То есть КПД источника ЭДС равен отношению напряжения во внешней цепи к ЭДС. В условиях применимости закона Ома можно далее заменить U = IR; ε = I(R + r ), тогда

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image013.png

Следовательно, в том случае, когда вся энергия расходуется на Ленц-Джоулево тепло, КПД источника ЭДС равен отношению внешнего сопротивления к полному сопротивлению цепи.

При R = 0 имеем η = 0. С увеличением R, КПД возрастает, стремится к значению η=1 при неограниченном увеличении R, однако при этом мощность, выделяющаяся во внешней цепи, стремится к нулю. Таким образом, требования одновременного получения максимальной полезной мощности при максимальном КПД невыполнимы.

Когда Р а достигает максимума, то η = 50%. Когда же КПД η близок к единице, полезная мощность мала по сравнению с максимальной мощностью, которую мог бы развивать данный источник. Поэтому для увеличения КПД необходимо по возможности уменьшать внутреннее сопротивление источника ЭДС, например, аккумулятора или динамо-машины.

В случае R = 0 (короткое замыкание) Р а = 0 и вся мощность выделяется внутри источника. Это может привести к перегреву внутренних частей источника и выводу его из строя. По этой причине короткие замыкания источников (динамо-машины, аккумуляторные батареи) недопустимы!

На рис. 1 кривая 1 дает зависимость мощности Р а , выделяемой во внешней цепи, от сопротивления внешней части цепи R; кривая 2 дает зависимость от R полной мощности Р; кривая 3 – ход КПД η от того же внешнего сопротивления.

Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться со схемой на стенде.

2. Установить с помощью магазина сопротивление R = 100 Ом.

3. Замкнуть ключ К.

4. Произвести измерения силы тока в цепи последовательно для различных девяти сопротивлений на магазине сопротивлений, начиная от 100 Ом и выше. Внести в таблицу результаты измерений силы тока, выразив их в амперах.

5. Выключить ключ К.

6. Вычислить для каждого сопротивления Р, Р а (в ваттах) и η.

7. Построить графики Р, Р а и η от R.

Контрольные вопросы

1. Что называется КПД источника ЭДС?

2. Вывести формулу КПД источника ЭДС.

3. Что такое полезная мощность источника ЭДС?

4. Вывести формулу полезной мощности источника ЭДС.

5. Чему равна максимальная мощность, выделяемая во внешней цепи (Ра)max?

6. При каком значении R полная мощность Р, выделяющаяся в цепи, максимальна?

7. Чему равен КПД источника ЭДС при (Ра)max?

Читайте также:  Формула если известен ток какая мощность

8. Произвести исследование функции (Ра) = f(R) на экстремум.

9. Зарисовать график зависимости Р, Ра и η от внешнего сопротивления R.

10. Что такое ЭДС источника?

11. Почему сторонние силы должны быть не электрического происхождения?

12. Почему недопустимо короткое замыкание для источников напряжения?

I·10 -3 , A

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image014.png, Вт

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image015.png, Вт

Источник

по теме: Изучение мощности и КПД источника тока

date image2015-05-26
views image6763

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Отчёт

Лабораторная работа

Выполнил: Волков К.В. ГГ11-07

Проверил: Байкалова С.И

Цель работы:Изучить зависимость полной мощности источника , полезной мощности , КПД источника от величины силы тока в цепи и сопротивления нагрузки , а также определить ЭДС источника и его внутреннее сопротивление .

Оборудование: Источник тока, реостат, амперметр, вольтметр.

Теоретическое введение:

Электрическим током называют упорядоченное движение заряженных частиц: положительных от большего потенциала к меньшему в направлении поля (от плюса к минусу), отрицательных – против поля (от минуса к плюсу). За положительное направление тока условно принято направление движения положительных зарядов. Необходимыми условиями существования тока являются:

1. Наличие свободных зарядов;

2. Наличие внешнего электрического поля;

3. Наличие источника тока, который за счет работы сторонних сил поддерживает поле в проводнике.

Ток – скалярная величина, равная отношению заряда, переносимого через поперечное сечение проводника, ко времени переноса:

Сторонними силами называются силы не электростатической природы. Они перемещают положительный заряд на таких участках замкнутой цепи, где он движется в сторону возрастания потенциала, против сил электростатического поля. Примерами источников сторонних сил являются химические реакции в гальванических элементах, механическое движение гидротурбины и др. Всякое устройство, в котором возникают сторонние силы, называется источником тока.

ЭДС источника тока, действующая в цепи или на ее участке, есть физическая величина, равная работе сторонних сил, отнесенной к единице положительного заряда:

Для расчета силы тока используют законы Ома.

Закон Ома для однородного участка цепи (не содержащего источника сторонних сил) выражается формулой:

где — напряжение на концах участка, ; — сопротивление участка.

Закон Ома для неоднородного участка цепи (содержащего источник сторонних сил) характеризуется формулой:

где — внутреннее сопротивление источника .

Закон Ома для замкнутой цепи (когда разность потенциалов равна нулю) определяется формулой:

На рис. 1 приводится схема электрической цепи, используемой в данной работе, со следующими обозначениями: — источник тока; — переключатель; — амперметр, обладающий очень малым сопротивлением; — вольтметр с очень большим внутренним сопротивлением. Приближенно считают, что мощность выделяется только на сопротивлении нагрузки и внутри источника с сопротивлением .

В случае, когда проводники, образующие цепь, неподвижны и ток является постоянным, работа сторонних сил полностью расходуется на нагревании проводников.

Полезную мощность , выделяющуюся во внешней цепи, находят по формуле:

Полная мощность источника тока равна сумме мощностей, выделяющихся во всей цепи:

Коэффициент полезного действия равен отношению полезной мощности к полной мощности источника тока :

В зависимости от величины сопротивления внешней цепи рассматривают три основных режима:

1. Режим холостого хода, когда цепь разомкнута, , при этом , , , ;

2. Режим короткого замыкания, когда внешнее сопротивление . В этом случае мы наблюдаем максимальное значение силы тока:

3. режим выделения максимальной мощности во внешней цепи, когда сопротивление внешней цепи равно сопротивлению источника тока (режим согласованной нагрузки):

Так как полезная мощность равна , то, исследуя эту функцию на экстремум , получаем, что максимальная полезная мощность будет тогда, когда значение внешнего сопротивления будет равно внутреннему сопротивлению . В этом случае сила тока в цепи, падение напряжения на внешней нагрузке, полная, полезная мощности и КПД источника тока будут , соответственно равны

Зависимости , , от и при и показаны на рис. 2 и 3.

1. Определить цену одного деления амперметра и вольтметра.

2. Измерить при разомкнутом ключе ЭДС источника .

3. Замкнуть ключ и путем изменения сопротивления реостата произвести отсчет силы тока и напряжения равномерно по всему диапазону изменения силы тока от нуля до максимального значения (не менее 10 – 15 измерений).

Читайте также:  Ограничение тока конденсатором расчет

4. Произвести расчет , , для всех измеренных значений силы тока и напряжения . Вычислить внутренние сопротивление источника тока .

5. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 1.

Номер измерения ,Ом ,Вт ,Вт
0,7 21,5 30,71 15,1 21.35 0.705
0,86 18,6 13,76 26.23 0.525
30,5 0.426
1,4 6,43 12,6 42.7 0.295
0.131

Вывод: Определили зависимость полной мощности источника , полезной мощности , КПД источника от величины силы тока в цепи и сопротивления нагрузки , а также научились определять ЭДС источника и его внутреннее сопротивление.

Источник



ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ КПД ИСТОЧНИКА ТОКА И ЕГО МОЩНОСТИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ НАГРУЗКИ

Цель работы

Исследование зависимости коэффициента полезного действия источника тока, полной мощности и мощности, выделяемой во внешней цепи, от сопротивления внешней цепи; определение сопротивления внешней цепи, при котором мощность, выделяемая во внешней цепи, будет максимальной; определение внутреннего сопротивления исследуемого источника тока.

Оборудование

Два источника тока с добавочными резисторами, амперметр, вольтметр, магазин резисторов, соединительные провода.

Метод измерений

Изменяя величину нагрузки источника тока, измеряют напряжение на ней, на основе чего определяют полезную мощность и КПД в цепи.

Подготовка к работе

В ходе домашней подготовки к выполнению лабораторной работы студенты знакомятся с теоретической частью (п. 7.5) настоящего методического указания. Кроме того, ими подготавливается бланк отчета по лабораторной работе, содержащей титульный лист (см. Приложение А); цель работы (п. 7.1); краткое описание экспериментального оборудования (п. 7.2); письменные ответы на контрольные вопросы (п. 7.8) при использовании теоретической части (п. 7.5) и рекомендуемой литературы (п. 7.9).

Теоретическая часть

Рассмотрим электрическую цепь постоянного тока, состоящую из источника тока с электродвижущей силой e, внутренним сопротивлением r и сопротивлением внешней цепи R (рисунок 7.1). Основными характеристиками источника тока являются ЭДС e и внутреннее сопротивление r. Величина, равная работе сторонних сил над единичным положительным зарядом, называется электродвижущей силой(ЭДС) e, действующей в цепи или на ее участке. Следовательно, если работа сторонних сил над зарядом q равна А, то

Сопротивление соединительных проводников обычно мало, поэтому им можно пренебречь.

Полная мощность, выделяемая в такой цепи, равна сумме мощностей, выделенных на внешнем и внутреннем участках цепи:

где Р ‑ мощность, выделенная во всей цепи (полная мощность), Р = Ie; PR ‑ мощность, выделенная на внешнем участке цепи (полезная мощность), PR =IUR; Pr ‑ мощность, выделенная внутри источника тока (потери мощности), Pr =IUr. В этих формулах UR и Ur соответственно падения напряжения на внешнем и внутреннем участках цепи; I — сила тока, которая может быть найдена по закону Ома для замкнутой цепи:

Тогда для мощности, выделенной во всей цепи, получим

Аналогично преобразуем выражение для мощности, выделенной во внешней части цепи:

Как видно из формул (7.3) и (7.4), мощность, выделенная во внешней цепи, и полная мощность источника тока зависят от ЭДС источника, его внутреннего сопротивления и сопротивления внешней цепи. Так как ЭДС источника и его внутреннее сопротивление, являющиеся характеристиками источника тока, не изменяются, то можно сказать, что как полная мощность, так и мощность, выделенная во внешней цепи, являются функциями сопротивления нагрузки R, т.е.: PR = f1 (R), P = f2 (R).

Из выражения (7.4) следует, что полезная мощность зависит от сопротивления нагрузки. При R=0, U=0 (такой режим работы источника называют «коротким замыканием») мощность PR=0. Если же R=¥ (при этом условии цепь разомкнута), то U=e и снова PR=0. Если же сопротивление R нагрузки меняется в пределах от R=0 до R=¥, то напряжение будет меняться от 0 до e, полезная мощность при этом должна иметь максимальное значение при определенном значении R. Найдем R, при котором PR принимает максимальное значение. Дифференцируя (7.4) по R и приравнивая нулю, получим:

Так как ЭДС источника e¹0, то R= r.

Источник