Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни icon

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни




Скачати 159.65 Kb.
НазваМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни
Дата01.06.2012
Розмір159.65 Kb.
ТипДокументи


МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

КРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО





МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ

З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “ФІЗИКА

“ВИМІРЮВАННЯ ОПОРІВ МОСТОВОЮ СХЕМОЮ”

(РОЗДІЛ ”ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”)

ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ

ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ





Кременчук 2011


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з фізики

“Вимірювання опорів мостовою схемою ( розділ “Електрика і магнетизм”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладачі: старш. викладач Н. І.Мотрій, старш. викладач В.І. Скобель,

доц. О.В. Сукачов


Рецензент доц. Ю.Г. Мичковський


Кафедра фізики


Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського

Протокол № ______ від _____________

Заступник голови методичної ради ________________доц. С.А. Сергієнко


ВСТУП


Дані методичні вказівки розроблені з метою допомогти студентам у комплексному засвоєні певної теми курсу фізики. З цією метою перш за все наведено досить розгорнуті теоретичні відомості з даної теми курсу. Ефективне засвоєння теоретичних відомостей неможливе без набуття практичних навичок засвоєних при розв’язанні задач. Для цього розглянуто достатню кількість прикладів розв’язання задач, а також задачі для самостійної роботи, що дозволяє студентам контролювати якість засвоєння учбового матеріалу.

Фізика є експериментальна наука. Тому невід’ємним елементом курсу фізики є лабораторний практикум. В методичних вказівках детально описано принципові основи того експериментального методу, який застосовується в даній роботі, на основі чого студент зможе зрозуміти зміст своїх дій при виконанні лабораторної роботи. Значна увага приділяється також правильній обробці результатів вимірювань.

Обробка даних сучасного фізичного експерименту базується на широкому використанні комп’ютерів. Тому в методичних вказівках наведено інструкцію щодо оформлення звіту про виконання лабораторної роботи із застосуванням табличного редактора Excel для Windows.


Лабораторна робота №2-5

^ ВИМІРЮВАННЯ ОПОРІВ МОСТОВОЮ СХЕМОЮ

ТЕМА: ”ОСНОВИ КЛАСИЧНОЇ ТЕОРІЇ ЕЛЕКТРОПРОВІДНОСТІ

МЕТАЛІВ І ЗАКОНИ ПОСТІЙНОГО СТРУМУ”

МЕТА: вивчення основ класичної теорії електропровідності металів і законів

постійного струму.

Застосування законів постійного струму для експериментального

вимірювання опору провідників.


^ ТЕХНІЧНЕ ОБЛАДНАННЯ

Випрямляч ВС 4-12, реостат, магазин опорів Р-33, гальванометр, два досліджувані опори, з'єднувальні провідники, калькулятор.


КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Класична теорія електропровідності металів розглядає вільні електрони металів як матеріальні точки і для опису їх руху застосовують закони Ньютона. Поза електричним полем вільні електрони металів рухаються хаотично, причому середня швидкість їх руху при кімнатних температурах близько 100 км/с. При накладенні на металевий провідник зовнішнього електричного поля вільні електрони, зберігаючи хаотичний рух, набувають швидкості направленого руху. Максимальне значення швидкості направленого руху електронів не перевищує 0,1 см/с. Теплові коливання іонів кристалічних граток перешкоджають направленому руху електронів, що зумовлює опір провідника електричному струму. Величина опору провідника залежить від його матеріалу, довжини і перерізу:



де  - питомий опір провідника; - питома електропровідність. Густина струму j в провіднику залежить від концентрації вільних електронів no і середньої швидкості їх спрямованого руху:

. (1)

де е - заряд електрона.

З класичної теорії електропровідності металів можна зробити висновок, що при замиканні електричного ланцюга кожний вільний електрон металу під дією сил електричного поля починає рухатися з прискоренням а=Ее/m, де Е - напруженість електричного поля; m - маса електрона.

До зіткнення з іоном гратки електрон рухається впродовж часу вільного пробігу . Максимальна швидкість електрона перед зіткненням з іоном vm=a. Час вільного пробігу електрона залежить від середньої довжини вільного пробігу і середньої швидкості його теплового руху

.

Тоді максимальна швидкість спрямованого руху електрона

. (2)

а середня швидкість спрямованого руху електрона

. (3)

Підставляючи значення до формулу (1), одержуємо диференційну форму закону Ома

, ,

де

.

Інтегральну форму закону Ома для ділянки ланцюга отримаємо інтегруванням густини струму по перерізу провідника



де U - напруга на ділянці кола.

зіштовхуючись із іоном кристалічної гратки, електрон передає іону свою кінетичну енергію, знов прискорюється електричним полем й зіштовхується з іншим іоном тощо. Нагрівання провідника струмом зумовлене передачею енергії електронами іонам кристалічної гратки. Густина теплової потужності струму:

,

де - середнє число співударянь електрона з іонами за одну секунду:

.

Підставляючи замість vm і їх значення до вираз густини теплової потужності струму, одержимо диференціальну форму закону Джоуля-Ленца

,

w = E2.

Інтегральну форму закону Джоуля-Ленца отримаємо інтегруванням густини теплової потужності струму за часом проходження струму і за об'ємом провідника V.

.


М^
ЕТОД ВИМІРЮВАННЯ


Один із методів вимірювання опорів - метод мостової схеми (рис. 1) . Схема містить: джерело постійного струму (випрямляч), потенціометр АВ з проградуйованою довжиною, еталонний опір R (магазин опорів), гальванометр Gдля і досліджуваного опору Rx. Контакт D реостата-рухомий. При замиканні кола тумблером К струм I піде від джерела струму до вузла А. У вузлі А струм I розділяється на струми I1 та I2.

Згідно з першим правилом Кірхгофа, застосуванням до вузла А,

I=I1+I2.

У вузлі В струм I1 також розділяється на два струми, один з них іде через опір R, другий - через гальванометр G. Переміщенням рухомого контакту D реостата можна знайти таку точку на реостаті, потенціал якої однаковий з потенціалом точки С. У цьому випадку струм гальванометра дорівнює нулю, струми, поточні по плечах реостата з опорами r1 і r2, однакові й рівні I1, струми, поточні через RX і R також однакові й рівні I2. Застосовуємо друге правило Кірхгофа до контуру АСDА

, . (4)

Застосовуємо друге правило Кірхгофа до контуру СВDC

, . (5)

Розділивши почленно рівності (4) і (5), отримаємо

.

Відношення опорів плечей реостата r1/r2 дорівнює відношенню довжин цих плечей /. Розрахункова формула набуває вигляду:

. (6)

Відносна похибка вимірювання опору

. (7)

Порядок виконання роботи

  1. Перед початком вимірювань потрібно ознайомитися з декадними перемикачами магазину опорів та іншим обладнанням. Як опори, що досліджуються, застосовуються два реостати.

  2. Складають схему і після перевірки її викладачем набирають за допомогою магазину опорів еталонний опір 20-30 Ом. Тумблером К замикають коло і виводять рухомий контакт реостата в таке положення, щоб плечі і були приблизно однакові. За допомогою декадних перемикачів набирають такий еталонний опір R, при якому показання гальванометра дорівнюють нулю. Вимірюють довжину плеча від початку обмотки реостата до рухомого контакту і довжину від кінця обмотки реостата до рухомого контакту. Записують показання R, і .

  3. Декадним перемикачем збільшують еталонний опір на кілька Ом, виводять рухомий контакт на нульову позначку гальванометра, вимірюють плечі і .

  4. Повторюють описаний дослід (п.3) , зменшивши еталонний опір на декілька Ом порівнянні з першим вимірюванням. Розмикають робочу схему.

  5. Замінюють опір, що досліджується, іншим і повторюють вимірювання, описані в пп. 2-4.

  6. З’єднують досліджувані опори послідовно і виконують вимірювання, описані в пп. 2-4.

  7. За формулою (33) обчислюють три значення першого досліджуваного опору і його середнє значення . Для одного з трьох випадків обчислюють відносну похибку вимірювання. Виконують такі самі обчислення для другого досліджуваного опору і обчислюють .

  8. Обчислюють середні (розрахункові) значення послідовного і паралельного з’єднань:

.

  1. За формулою (33) обчислюють три значення Rпс і Rпр, знаходять їх середнє значення і , порівнюють між собою значення і , і шляхом обчислення абсолютної і відносної похибок. За дійсні значення опорів беруть значення і .

  2. Для першого досліджуваного опору заповнюють абл.. 1, для другого досліджуваного опору складають таку саму таблицю. Для послідовного з’єднання заповнюють абл.. 7, для паралельного з’єднання складають таку саму таблицю.

Таблиця 1

№ пор

R, Ом

, мм

, мм

Rx1, Ом

, Ом

, %

1



















2



















3





















Таблиця 2

№ пор

R, Ом

, мм

, мм

Rпс, Ом

,Ом

,Ом

, %

1






















2






















3























Зміст звіту

Назва і номер лабораторної роботи, схема вимірювань, розрахункові формули, таблиці з результатами роботи.


^ КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1.Що називається густиною струму провідності? Виведіть із визначення формулу густини струму.

2.Як рухаються вільні електрони провідників при замиканні електричного ланцюга? Виведіть формули максимальної та середньої швидкостей направленого руху електронів у металевих провідниках.

3.Виведіть з електронної теорії диференціальну та інтегральну форми закону Ома.

4.Від яких величин залежить питома електропровідність металевих провідників?

5.Поясніть нагрівання металевих провідників електричним струмом.

6.Що називається густиною теплової потужності струму?

7.Виведіть з електронної теорії диференціальну та інтегральну форми закону Джоуля-Ленца.

8.Що називається вузлом електричного кола? Сформулюйте правило Кірхгофа для вузлів.

9.Що називається контуром електричного кола? Сформулюйте правило Кірхгофа для контурів.

10.Назвіть недоліки класичної теорії електропровідності металів.

^ ПРИКЛАДИ РОЗВ’ЯЗАННЯЗАДАЧ


Приклад №5.1

Сила струму в провіднику опором R=20 Ом зростає протягом часу t=2с. За лінійному законом від І0=0 до І=6А.Найти теплоту Q яка виділяється в цьому провіднику за другу секунду.

R=20 Ом Розв’язання:

t =2с Для змінного струму закон Джоуля-Ленца записується у

I0=0 вигляді:

I=6А (5.1)

Визначити: Q

Тут сила струму є функцією часу:

I=Kt , (5.2)

де K - коефіцієнт пропорційності.



З врахуванням (5.2) формула (5.1) має вигляд:

(5.3)

Для визначення кількості теплоти ,що виділяється за інтервал часу t вираз (5.3) потрібно проінтегрувати:



Проведемо обчислення: ()




Приклад №5.2

На кінцях мідного провідника завдовжки L=5м підтримується напруга U=1В. Знайти густину струму в провіднику.




L=5м Розв’язання:

U=1В Густина струму може бути за формулі:

S=1,710-8Омм , (5.4)

Визначити: J де I сида струму, S- площа поперечного перерізу

првідника


Сила струму I і напруги U зв’язані залежністю

, (5.5)

де R- опір провідника.

, (5.6)

де - питомий опір.

Підставимо (5.6) в (5.5) і (5.4) .

,

.


Приклад №5.3

Електричне поле складається із двох Е.Р.С, з і , і внутрішнім опором r = 0,8 Ом і r = 0,2 Ом , а також зовнішнього опору R=6 Ом. Знайти струми I і I .

R=6Ом

=2,2В

= 2,4В

r=0,8Ом

r=0,2Ом

Визначити: I, I


Розв’язання:

Для розв’язання задачі використаємо правила Кірхгофа. Виберемо напрямки струмів I ; I ; I напрямок обходу по контуру.

Запишемо рівняння:

1) для вузла А I+I-I=0;

2)для верхнього контуру

3)для нижнього контуру

Розв’язуємо рівняння з допомогою детермінантів третього порядку.

=













Мінуси при струмах I3 і вказують на напрямок струмів ,протилежний вказаному на рис.5.1.


Приклад №5.4

Е.Р.С. батареї =80В, внутрішній опір r=5Ом. Зовнішнє коло споживає Р=100Вт. Знайти силу струму в колі, напругу U, під якою знаходиться зовнішнє коло та її опір.


=80В Розв’язання:

r=5Ом По закону Ома для замкнутого кола сила струму

P=100Вт дорівнює:

Визначити: I , U , R (5.7)


Потужність , що споживає навантаження:




(5.8)

Із (2) знаходимо R і підставляємо в (1):


















Сила струму із (5.7) дорівнює:




Напруга зовнішнього кола:





ЗАДАЧІ


5.1 Визначити густину струму в провіднику, якщо концентрація вільних електронів n = 1022, заряд електрона q=16·10-19Кл, а швидкість направленого руху електронів =0,8 10-3м/с.


5.2 При зовнішньому опорі R1=8Ом сила струму в контурі I1=0,8А, при опорі R2=15Ом сила струму I2=0,5А. Визначити силу струму і короткого замикання джерела струму.


5.3 На кінцях мідного провідника завдовжки l = 5м підтримується напруга U=1В. Знайти густину струму J в провіднику.


5.4 Визначити силу струму в контурі, що складається із двох елементів з Е.Р.С.

1=1.6В і 2=1.2В і внутрішніми опорами r1=0.6Ом і r2=0.4Ом, з’єднаних однойменними полюсами.


5.5 До джерела струму з Е.Р.С. =12В, приєднали навантаження . Напруга U на клемах джерела стала при цьому дорівнювати 8В. Знайти ККД джерела струму.


5.6 Зовнішній контур джерела струму споживає потужність P=0,75Вт. Знайти силу струму в контурі, якщо ЕРС джерела струму =2В, а внутрішній опір r=1Ом.


5.7 Два циліндричних провідника, один із міді, а другий із алюмінію, мають однакову довжину і електричний опір. В скільки разів мідний провідник важчий за алюмінієвий.

^ СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

1. Трофимова Т. И. Курс физики.-М.:Высшая школа, 1999

2. Савельєв И.В. Курс загальної фізики у 2 томах: - М.: Наука, 1978. - Т.2

3. Детлаф А.А. та інш. Курс фізики у 2 томах. - М.: Вищ.школа, 1977. - Т.2

4.Фізичний практикум/ за редакцією І.В. Іверонової. -М.:Вищ. школа, 1962.

5. Кухлінг Х. Довідник з фізики. - М.: Наука, 1982.

Додаток

Інструкція щодо оформлення звіту

про виконання лабораторної роботи з фізики

із застосуванням табличного редактора Excel для Windows


  1. Після виконання лабораторної роботи і вивчення інструкції щодо оформлення звіту в присутності викладача або лаборанта ввімкнути персональний комп’ютер.

  2. На диску "D", у папці "Студенти" знайти папку своєї групи, (наприклад, шляхом D:\Студент\СУ-07-1), в цій папці знайти файл табличного редактора Excel із зразками звітів* (наприклад, "Зразок лаб") і відкрити його за допомогою команди „Открыть” в меню „Файл” або за допомогою комбінації клавіш „Ctrl+O(лат.)”.

  3. У книзі (файлі) "Зразок лаб" у вікні редактора Excel знайти ярлик відповідного листка (наприклад, "Лаб 2-10") і перейти на цей листок.

  4. Внести в комірки таблиць, які виділені кольоровою заливкою, результати вимірів.

  5. У результаті відбудеться обчислення даних за відповідними формулами і побудова відповідних графіків.

  6. Внизу сторінки листа заповнити комірки: "номер групи", "П.І.П", "дата", які виділені кольоровою заливкою. Для цього потрібно виділити відповідну комірку і після завершення уведення даних натиснути клавішу „Tab” або „Enter”.

  7. Після цього в меню „Файл” виконати команду „Сoхранить как.”, увести ім'я файла (наприклад, "Іванов-лаб") і зберегти файл у відповідній папці групи (наприклад, у папці "СУ-07-1" шляхом D:\Студент\СУ-07-1\Іванов-лаб).

  8. За необхідності увімкнути принтер, вставити в нього аркуш паперу і роздрукувати сторінку з результатами вимірювань і графіком за допомогою команди 'Печать..' в меню 'Файл'.

  9. Завершити роботу в редакторі Excel через меню „Файл”, виконавши команду „Выход”, або за допомогою комбінації клавіш „Alt+F4”.

  10. Вимкнути комп'ютер через меню „ПУСК”, „Завершение работы”, „Выключить компьютер”, „Да”.

*Примітка: в подальшій роботі відкривати файл під своїм прізвищем.


Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з фізики “Вимірювання опорів мостовою схемою“ (розділ “Електрика і магнетизм“) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання.


Укладачі: старш. викладач Н.І. Мотрій, старш. викладач В.І. Скобель,

доц. О.В. Сукачов


Відповідальний за випуск зав. кафедри фізики проф. О.І. Єлізаров


Підп. до др. _________ . Формат 60x84 1/16. Папір тип. Друк ризографія.

Ум. друк. арк.__1__. Наклад _ 50 _ прим. Зам. № . Безкоштовно


Видавничий відділ КНУ

39614, м. Кременчук вул. Першотравнева, 20


Схожі:

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України лахно олена геннадіївна
Роботу виконано у Дніпропетровському державному інституті фізичної культури і спорту, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни icon­­­­Про формування варіативної складової
Міністерства освіти І науки, молоді І спорту України, схвалення відповідною комісією Науково–методичної ради з питань освіти Міністерства...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України арєшина юлія борисівна
Роботу виконано в Інституті фізичної культури Сумського державного педагогічного університету імені А. С. Макаренка, Міністерство...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни 01135, м. Київ, проспект Перемоги
Міністерство освіти і науки, молоді та спорту Автономної Республіки Крим, управління освіти і науки обласних, Київської та Севастопольської...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національний університет фізичного виховання І спорту україни анікєєв дмитро михайлович
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання І спорту України, Міністерство освіти І науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України бібік руслан вікторович
Робота виконана в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України скомороха ольга станіславівна
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання І спорту України воробйова анастасія володимирівна
Роботу виконано у Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconФорма № н 04 міністерство освіти І науки, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ міністерство освіти І науки, молоді та спорту автономної республіки крим рвнз «кримський гуманітраний університет» (м. Ялта) інститут економіки та управління кафедра затверджую

Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти І науки, молоді та спорту україни національний університет фізичного виховання І спорту україни
Роботу виконано у Національному університеті фізичного виховання І спорту України, Міністерство освіти І науки, молоді та спорту...
Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни iconМіністерство освіти і науки, молоді та спорту України Національний університет фізичного виховання і спорту України
Роботу виконано в Національному університеті фізичного виховання і спорту України, Міністерство освіти і науки, молоді та спорту...
Додайте кнопку на своєму сайті:
Документи


База даних захищена авторським правом ©zavantag.com 2000-2013
При копіюванні матеріалу обов'язкове зазначення активного посилання відкритою для індексації.
звернутися до адміністрації
Документи