Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни
Скачати 159.65 Kb.
|
Зміст Вимірювання опорів мостовою схемоюТехнічне обладнання Етод вимірювання Контрольні запитання Приклади розв’язаннязадач Список літератури |
|
 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИКРЕМЕНЧУЦЬКИЙ 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 ^ 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. ^ 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  ^ 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 G для 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
  .
Таблиця 1
Таблиця 2
Зміст звіту Назва і номер лабораторної роботи, схема вимірювань, розрахункові формули, таблиці з результатами роботи. ^ 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. ^ 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=1,710-8Омм  , (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 Е  лектричне 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 , IРозв’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.  =    |
. Для одного з трьох випадків обчислюють відносну похибку вимірювання. Виконують такі самі обчислення для другого досліджуваного опору і обчислюють 
.
і 
, порівнюють між собою значення 
, 
шляхом обчислення абсолютної і відносної похибок. За дійсні значення опорів беруть значення 
, Ом
,Ом
вказують на напрямок струмів ,протилежний вказаному на рис.5.1.
=80В Розв’язання:
(5.7)
(5.8)
, заряд електрона q=16·10-19Кл, а швидкість направленого руху електронів =0,8 10-3м/с.