75.5.1.1.1 (3 эт) Разработка НОМ по школьному лабораторному практикуму по
реклама
1 75.5.1.1.1 (3 эт) Разработка НОМ по школьному лабораторному практикуму по физике (раздел «Электричество») в соответствии с рабочей программой профильного уровня для учащихся специализированных классов средних школ, гимназий и лицеев РЕФЕРАТ Представляемые лабораторные работы рекомендуются для проведения в специализированных классах школ инженерной (авиационной) направленности с углубленным изучением физики, математики по разделу «Электричество». В процессе выполнения работ учащиеся приобретут навыки сборки простейших электрических схем, работы с электроизмерительными приборами, закрепят правила подключения амперметра и вольтметра и др. В описаниях вводится ряд специальных понятий (например, молниезащита воздушных судов). Правила оформления и представления результатов лабораторной работы описаны во вводной части. Работы разной степени сложности, предполагают возможность их выполнения и во фронтальном варианте, и в виде индивидуальных заданий отдельным бригадам с целью последующего совместного обсуждения результатов. Страниц – 33, рис .– 12, табл. – 6, литература – 6 наимен. Ключевые слова: электродинамика, физика, лабораторная обработка работа, электростатика, экспериментальных данных, эквипотенциальная поверхность, определение удельного сопротивления проводника. 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Физический практикум проводится с целью повторения, углубления, расширения и обобщения полученных знаний из разных тем курса физики; развития и совершенствования у учащихся экспериментальных умений; формирования у них самостоятельности при решении задач, связанных с экспериментом. Составной частью современного научного познания является эксперимент, оперированием отличающийся реальными объектами, от наблюдения позволяющий активным изолировать изучаемый объект или процесс от побочных явлений или предметов. Получая в ходе проведения эксперимента числовой результат, учащийся должен понимать, какие допущения и пренебрежения были сделаны при постановке опыта и проведении расчетов. С этой позиции он должен оценивать и сопоставлять с табличными данными полученный результат, формулировать вывод. По мнению авторов, представляемые лабораторные работы для старшеклассников будут способствовать закреплению знаний в расширенном (с учетом программы ВТУЗов) объеме, поскольку содержат специальные термины и информацию для будущих специалистов в сфере гражданской грамотной авиации. обработки Физический и практикум представления прививает опытных навыки результатов с использованием современных информационных технологий. Описание лабораторных работ составлено по традиционному принципу с включением целей и задач, теоретической и экспериментальной части работы с примерами записи полученных результатов в виде таблиц и графиков. Отдельно вынесены вопросы для самостоятельной проработки, приведен перечень рекомендуемой литературы. В теоретической части описания лабораторных работ сформулированы основные понятия и физические законы по теме работы, 3 приведено обоснование и вывод рабочих формул. В экспериментальной части описания предлагается применение различных методик определения характеристик физических систем или универсальных физических постоянных, проверки физических законов. Учащиеся должны готовиться к работе заранее, проработав параграфы учебника по теме работы и материал, изложенный в методическом описании. После проведения работы учащиеся должны сдать отчет, который должен содержать: название работы, цель работы, список приборов, схему или рисунок установки, план выполнения работы, таблицу результатов, формулы, по которым вычислялись значения величин, вычисления погрешностей измерений, выводы. Процесс защиты может проводиться как по отдельным бригадам, так и в ходе коллективного обсуждения результатов. В конце методического описания представлены контрольные вопросы. Ответы на некоторые из них требуют проведения несложных расчетов. После проведения расчетов все искомые физические величины Q должны быть представлены в стандартном виде: Q=( <Q> + ΔQ) eд. измер., δQ= ________ %. где ΔQ, δQ – оценки абсолютной и относительной погрешностей, формулы для расчета которых приведены в описаниях. К защите работы учащимся необходимо продумать и сформулировать вывод по полученным данным. Он должен быть записан под численными результатами лабораторной работы. В описании нет готовых шаблонов для формулировок выводов – их учащийся должен продумать и сформулировать самостоятельно. По результатам работы и после проверки знания учащимся теоретического материала лабораторную работу «зачет». преподаватель ставит за выполненную 4 При оценке работы учащихся в практикуме следует учитывать их подготовку к работе, отчет о работе, уровень формирования умений, понимание теоретического материала, используемых методов экспериментального исследования. Для удобства и ускорения обработки экспериментальных данных расчеты стандартной погрешности и среднего предлагается проводить с помощью готовой программы на ЭВМ, что значительно сократит время обработки результатов. Практикум включает в себя описание лабораторных работ №1–4 по разделу «Электричество». Предполагается, что работы выполняются бригадами по 2 человека. Работы рассчитаны на 2 академические часа. Лабораторная работа № 1 рассчитана на 2 часа, посвящена изучению основных понятий электростатики эквипотенциальная - поверхность, напряженность электростатического поля. Предполагается, что учащиеся должны выполнять ее фронтально. В процессе выполнения работ будет проведено экспериментальное определение и построение эквипотенциальных поверхностей около электрода произвольной конфигурации. Построенное семейство эквипотенциальных поверхностей позволяет качественно судить о неоднородности электрических полей в разных точках исследуемого пространства. Вводится понятие молниезащиты воздушных судов. Большая роль для усвоения материала отводится подготовке ответов на контрольные вопросы. Лабораторная работа №2 зависимости электрического посвящена изучение закона Ома и сопротивления проводника от его 5 геометрических параметров. Учащиеся опытным путем определяют удельное сопротивление металлического проводника. Затрагивается понятие параллельного и последовательного соединения проводников, способ измерения силы тока и напряжения. При выполнении Лабораторной работы №3 учащиеся должны научиться измерять ЭДС источника тока и косвенными измерениями определять его внутреннее сопротивление, получить полезные навыки по сборке электрической цепи по схеме. При подготовке к работе предполагается закрепление материала по теме «Закон Ома для замкнутой цепи». Лабораторная работа №4 имеет целью получения учащимися навыков сборки электрической цепи по схеме и проведения измерений, закрепления теоретического материала по теме «Переменный ток», и «колебательный контур». Повторяются понятия действующего значения напряжения силы тока в цепи переменного тока, емкостного сопротивления. Таким образом, предлагаемый перечень лабораторных работ можно рассматривать как набор укрупненных дидактических единиц, включающих целый ряд связанных понятий. В результате работа в практикуме способствует закреплению знаний фундаментальных физических законов, а также развивает навыки и умения 1) использования математических методов обработки данных (первичная статистическая обработка данных с помощью ПК), 2) практической работы с измерительным оборудованием, необходимым в будущей профессиональной инженерной деятельности; 3) анализа полученного практического материала и формулировок теоретически обоснованных выводов; 6 4) самостоятельной работы с учебной и технической литературой. В целом, проведение лабораторных работ должно способствовать повышению фундаментальности образования, углублению знаний по физике для объяснения явлений природы, свойств вещества, принципов работы технических самостоятельного информации устройств, приобретения физического информационных и решения физических задач, оценки достоверности новой содержания, технологий для использования современных обработки полученного экспериментального материала. При успешной организации практической познавательной деятельности школьников в лаборатории на уроках физики выполнение обязательных требований к знаниям и умениям школьников будет естественным следствием обучения. Авторы надеются, что реализация указанных целей и формирование названных умений будут достигнуты в результате работы учащихся в лабораторном физическом практикуме. Предлагаемый вариант может изменению и корректировке. быть подвергнут дополнению, ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ ЗАРЯЖЕННЫХ ТЕЛ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Построить систему электростатического поля силовых между и двумя эквипотенциальных заряженными линий проводниками. Анализируя характер полученного графического изображения поля, дать его качественное описание и рассмотреть основные свойства; научиться рассчитывать напряженность электростатического поля, используя взаимосвязь между векторным полем напряженности и скалярным полем потенциала. Приобрести умение прогнозировать характер линий поля от систем заряженных тел в простейших случаях. 2. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 2.1. Электростатическое поле. Напряженность электрического поля Электростатическое поле порождается неподвижными электрическими зарядами и осуществляет взаимодействие между ними. Электрический заряд является неотъемлемой характеристикой некоторых элементарных частиц. Основными свойствами электрических зарядов являются: – существование двух видов электрических зарядов, условно называемых положительными и отрицательными, 8 – для суммарного электрического заряда изолированной системы выполняется закон сохранения, – существует минимальная порция электрического заряда, называемая элементарным зарядом, – величина заряда инвариантна по отношению к смене инерциальной системы отсчета. Наличие электрического поля проявляется в том, что на точечный электрический заряд q действует сила F , не зависящая от скорости заряда. Характеристикой электрического поля является векторная величина q1 r F12 E q2 er F21 Рис. 1 называемая численно E1 r Рис. 2 единичный (1) напряженностью. Напряженность q1 F , q равна электрического силе, поля действующей положительный на заряд, помещенный в данную точку поля. Согласно закону Кулона сила взаимодействия между точечными зарядами q2 и q1 (рис. 1) в вакууме равна: F21 F12 1 q1q2 er , 4 r 2 (2) где q1 и q2 – величины взаимодействующих точечных зарядов, r – расстояние между зарядами, о = 8,85·10-12 Ф/м – электрическая постоянная в СИ, er r r – единичный вектор, направленный от заряда 1 к заряду 2. Это взаимодействие осуществляется посредством электрического поля. На заряд q2 действует электрическое поле заряда q1 (рис. 2) с напряженностью 9 E1 1 q1 er , 40 r 2 (3) соответственно на заряд q1 действует электрическое поле заряда q2. Для вектора напряженности справедлив принцип суперпозиции, согласно которому результирующая напряженность электрического поля системы зарядов в некоторой точке равна векторной сумме напряженностей всех зарядов системы: N E E1 E2 E3 ... EN Ei . (4) i 1 где Ei – напряженность поля, создаваемая в данной точке зарядом с номером i. а) +q и –q, б) +q и –q. Рис. 3 Электрическое поле можно наглядно представить с помощью линий напряженности. На рис. 3а приведена картина линий напряженности в простейшем случае двух зарядов +q и –q. Линии напряженности непрерывны, могут начинаться или заканчиваться только на зарядах или в бесконечности. Касательные к ним совпадают с направлением напряженности поля в точке напряженности. касания. Густота линий пропорциональна величине 10 При расчете электрического поля, создаваемого протяженным телом с зарядом Q, необходимо записать формулу (4) в интегральной форме: E 1 40 dq r 2 er . (5) Q 2.2. Потенциал электрического поля Электростатическое поле потенциально. Потенциал поля численно равен работе, которую совершают силы поля над единичным положительным зарядом при удалении его из данной точки в точку, потенциал в которой равен нулю. Если принять, что на бесконечном расстоянии от точечного заряда q потенциал его поля равен нулю, то на расстоянии r от заряда величина потенциала поля находится по формуле: 1 q . 40 r (6) Принцип суперпозиции для электрического поля позволяет суммировать и потенциалы i, создаваемые точечными зарядами в некоторой точке, 123N = N i (7) i1 или интегрировать потенциалы элементарных зарядов dq: 1 dq . 4 0 Q r (8) Воображаемая поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной поверхностью. Пересечение эквипотенциальных поверхностей с плоскостью рисунка эквипотенциальные линии системы двух зарядов +q 3б дает и –q. Между напряженностью и потенциалом электрического поля имеется взаимосвязь: 11 B E grad , À B E r d r . (9) A Расчет электрического поля заряженных тел произвольной формы по формулам (5) и (8) обычно является сложной задачей. При этом приходится учитывать как форму тела, так и распределение заряда по нему. В проводниках носители заряда (в металлах это электроны) могут перемещаться под действием сколь угодно малой силы. Для их равновесия необходимо выполнение следующих условий: – напряженность поля внутри проводника должна быть равна нулю, – потенциал поля во всех точках проводника должен быть постоянным φ = const, – поверхность проводника является эквипотенциальной и напряженность поля в каждой точке поверхности проводника направлена по нормали к ней E En , 2.3. Понятие о грозовых разрядах и молниезащите Молнии вызываются электрическими зарядами, которые в больших количествах накапливаются в облаках. Механизм накопления и разделения положительных и отрицательных зарядов в основном объясняется наличием в грозовых облаках восходящих потоков воздуха в постоянном электрическом поле земли. Наша планета всегда имеет отрицательный заряд. Напряженность электрического поля вблизи поверхности земли составляет в среднем 100 В/м. Чаще всего нижняя часть облака заряжена отрицательно, а верхняя – положительно. При грозовом разряде отрицательный заряд стекает в Землю, поддерживая ее отрицательный потенциал. Токи проводимости молнии протекают преимущественно по путям с повышенной проводимостью. Зоны повышенной проводимости в атмосфере вызваны процессом ионизации 12 атомов атмосферы в зоне с резконеоднородным электрическим полем, возникающим над заостренными проводящими предметами Молниеотвод, громоотвод, устройство для защиты зданий, промышленных, транспортных, коммунальных, с.-х. и других сооружений от ударов молнии. М. состоит из электрода в виде тонкого, заострённого на конце металлического стержня, устанавливаемого над защищаемым объектом (стержневой М.), или в виде провода (троса), обычно протягиваемого над линиями электропередачи и из надёжного заземления с общим сопротивлением не более 10—20 ом. Защитное действие М. в значительной степени зависит от размеров т. н. защитной зоны, границей которой является геометрическое место точек, ограничивающее пространство, внутри которого вероятность прямого удара молнии равна 10-3—10-4 (Молниеотвод перехватывает более 99 % молний). Защитная зона одиночного стержневого М. (рис.) близка по форме к конусу с углом при вершине 45°. Самолет – проводник – и поэтому его поверхность является эквипотенциальной. Напряженность электрического поля больше именно у заостренных частей воздушного судна – например, у конца крыла. В среднем для самолетов ГА приходится 1 удар молнии на 2300-3000 часов налета. Молниезащита летательных аппаратов – комплекс технических мероприятий, предотвращающих возникновение аварийной ситуации. Диэлектрические части конструкции и обтекатели антенн защищаются молниезащитными шинами из дюралюмина, стали и меди. Стенки топливных баков рассчитываются на прохождение по ним токов молнии, не имеют острых выступов и размещаются не ближе 0,5 м от конца крыла. Радиотехнические системы защищаются с помощью электрических фильтров, экранизации и скрутки проводов, а также воздушными или вакуумными разрядниками. 13 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3.1. Методика проведения эксперимента и описание установки В данной лабораторной работе требуется описать электростатическое поле между двумя заряженными проводниками, т.е. определить зависимость E (r ) и (r ) . Из-за сложности конфигурации используемых проводников аналитическое использовать решение данной графический задачи метод затруднено. описания поля в Поэтому виде будем семейств эквипотенциальных и силовых линий. Для их построения необходимо экспериментально определить либо значения потенциалов в различных - 1 -- - 3 + + + + + + + + - точках исследуемой области, либо значения напряженности. Технически проще, измеряя 2 + + потенциалы, построить эквипотенциальные линии пересечения эквипотенциальных поверхностей V 4 с плоскостью рисунка), а затем по известной Рис. 4. картине эквипотенциальных линий построить линии проекций напряженности поля на эту плоскость. На рис. 4 приведена принципиальная схема измерения потенциала электростатического поля между заряженными телами 1 и 2 с помощью зонда 3. Зондом в данном случае является электрод, который помещается в исследуемую точку пространства. 14 По показаниям вольтметра 4 определяется разность потенциалов между зондом и одним из заряженных тел, потенциал которого принимается за нулевой. Естественно, что зонд должен как можно меньше нарушать своим присутствием исследуемое поле и принимать потенциал той точки, в которую он помещен. Но в непроводящей среде, например, в воздухе, не может происходить автоматическое выравнивание потенциала точки поля и введенного в нее зонда. Для обеспечения выравнивания необходимо стекание зарядов с зонда. Чтобы избежать этих трудностей, в лабораторной работе применен широко известный в науке и технике метод моделирования. Вместо изучаемого объекта – электрического поля в диэлектрической среде – исследуется поле стационарных токов в слабопроводящей жидкости. Для этого в лабораторной установке заряженные тела 1 и 2 (электроды) опускаются в кювету 7 с обычной водой, которая является слабым электролитом (рис. 5). В исследуемой области возникает поток зарядов от одного электрода к другому, т.е. электрический ток. Чтобы этот ток был стационарным, необходимо поддерживать исходные величины зарядов на электродах, что обеспечивается неизменной разностью потенциалов между ними. Для выполнения этого условия достаточно соединить тела с источником постоянного напряжения U. Для слабых токов в электролитах направление линий тока совпадает с направлением линий напряженности, что дает возможность сопоставить линиям напряженности электростатического поля линии тока. С технической же точки зрения переход к модели оправдан тем, что в этом случае измерение разности потенциалов осуществить значительно проще. 15 –U+ y 5 4 2 3 1 7 x 5 V 6 Рис. 5 Такое моделирование не только избавляет от технических трудностей в лаборатории, но и позволяет исследовать сложные ситуации. В частности, с его помощью можно моделировать процессы электрического взаимодействия самолета с атмосферным электричеством. В лабораторной установке (рис. 5) зондом служит металлический проводник 3 с острием, опущенным в воду. Вольтметр V подключен к одному из электродов и к зонду. Помещая острие зонда в заданную точку поля, по показаниям вольтметра определяют потенциал этой точки, а по координатным линейкам 4 и 5 — ее координаты (x,y). Обрабатывая полученную таким образом базу данных φi = φ(xi,yi), можно построить эквипотенциальные линии и линии напряженности поля. Для этого точки с одинаковым значением потенциала наносятся на миллиметровую бумагу, и по ним проводятся плавные эквипотенциальные линии. По известной картине эквипотенциальных линий можно построить линии напряженности. При этом 16 используется взаимосвязь напряженности поля выражаемая формулами перпендикулярность поверхностям в (9). Следствием линий каждой этих напряженности точке. Для и потенциала φ, E к расчета уравнений является эквипотенциальным численных значений напряженности можно воспользоваться тем, что (11) где l – расстояние вдоль выбранной линии напряженности. 3.2. Порядок выполнения работы Внимание! Включение установки производится лаборантом. Питание осуществляется от источника постоянного напряжения. Величину напряжения между электродами устанавливает лаборант в соответствии с пределом шкалы измерительного прибора (U = 20 – 30 В). Потенциал одного из электродов принимается за 0, потенциал второго φmax равен величине установленного напряжения. Для стабилизации электрической цепи измерения рекомендуется начинать через 3 – 5 минут после включения питания. Для построения семейства эквипотенциальных линий удобно действовать следующим образом: 3.2.1. Зафиксируйте положение зонда 3 в передвижной координатной линейке 4, вставив зонд в одно из ее крайних отверстий. Запишите значение y1 в таблицу 1. 3.2.2. Перемещая линейку 4 по направляющим пазам координатных линеек 5, найдите координату нулевой эквипотенциали x0 При этом зонд, перемещаясь вдоль одной из пунктирных линий на рис. 6, коснется одного из электродов и показание вольтметра будет φ = 0. Соответствующее значение x0 запишите в таблицу 1 (*). 17 3.2.3. Сдвигая линейку 4 так, чтобы зонд перемещался вдоль той же пунктирной линии (оставив зонд в том же отверстии), определите по линейке 5 координату x1 следующей эквипотенциали с 1 0 . Величина выбирается такой, чтобы в диапазоне от 0 до φmax можно было определить положение примерно 10 эквипотенциалей, т.е. = 2 ÷ 3 В (*). 3.2.4. Оставив зонд в том же отверстии, произведите измерения координат остальных эквипотенциалей с n 0 n при фиксированном значении y1 и заполните первый столбец в таблице 1. Последнее измерение производится при касании зондом второго электрода. 3.2.5. Аналогичные измерения проведите при других значениях координаты yi с шагом, соответствующим расстоянию между соседними отверстиями на передвижной линейке 4, охватывая всю рабочую зону кюветы. Заполните таблицу 1. y 2 1 0 x Рис. 6 18 Таблица 1 Координаты Положение зонда относительно координатной линейки 4 эквипотенциалей y1 = y2 см = y3 см = … … yn = см см x0(φ0 = 0 В) x1(φ1 = В) x2(φ2 = В) x4(φ3 = В) … … xm(φmax)** * – Для отдельных значений y такие точки отсутствуют. В этом случае необходимо перейти к следующему пункту. ** – φmax соответствует разности потенциалов между электродами. 3.3. Обработка результатов измерений и оформление отчёта 3.3.1. По данным таблицы 1 нанесите на миллиметровую бумагу точки, соответствующие одной из эквипотенциалей (из одной строки таблицы). Соединив их плавной линией, постройте эквипотенциальную линию. Аналогично постройте остальные эквипотенциальные линии. На рис. 6 приведены примеры построения трех таких линий. Для построения линий напряженности рекомендуется выбрать эквипотенциальную линию со средним значением потенциала (≈ 12 В) и разбить ее на 5–7 участков примерно равной длины. Из середин каждого такого участка проведите к обоим электродам линии напряженности, руководствуясь свойством 19 ортогональности линий напряженности и эквипотенциальных линий. На рис. 6 показана одна из таких линий. 3.3.2. Анализируя полученную картину линий поля, определите участок вблизи электрода 1 с наибольшей густотой выходящих из него линий напряженности. Выберите одну из этих линий напряженности для дальнейших расчетов. 3.3.3. Измерьте расстояние ∆ln,n-1 между соседними наиболее близкими эквипотенциальными линиями (с φn и φn-1) вдоль выбранной линии напряженности (считая этот участок прямой линией). 3.3.4. Рассчитайте среднее значение напряженности поля для этого участка по формуле: Ecp.n,n-1 n,n 1 ln,n 1 . Полученный результат запишите в отчет. 3.3.5. Рассчитайте плотность поверхностных зарядов на электроде 1 в точке выхода выбранной линии напряженности по формуле (10). Результаты расчетов запишите в отчет. 3.3.6. По полученным результатам сделайте выводы, в которых: а) объясните, как густота линий вблизи электродов связана с их формой; б) определите области на электродах, в которых наиболее вероятно возникновение электрического разряда при большой разности потенциалов между электродами; в) укажите, на каких участках поверхности электродов плотность зарядов увеличена. 20 4. Контрольные вопросы 4.1. Опишите свойства электрического заряда. 4.2. Дайте определение вектора напряженности электрического поля. 4.3. Сформулируйте принцип суперпозиции электрических полей. 4.4. Дайте определение потенциала поля в данной точке. 4.5. Какова взаимосвязь между напряженностью и потенциалом поля? 4.6. Сформулируйте условия равновесия зарядов в проводнике. 4.7. Перечислите свойства электростатического поля вблизи поверхности и внутри проводников. 4.8. Поясните принцип измерения потенциала в некоторой точке между электродами. 4.9. Опишите графический способ задания электростатического поля с помощью линий напряженности и эквипотенциальных поверхностей. 4.10. Нарисуйте приблизительную картину линий напряженности и эквипотенциальных линий заряженных тел: а) сферы; б) куба; в) конуса; г) эллипса. 4.11. Для каких частей самолета при полете возле грозового облака наибольшая вероятность поражения молнией? Почему? 4.12. Почему нельзя в грозовую погоду находиться на открытой местности (в поле, на лодке в озере)? 5. ЛИТЕРАТУРА к лабораторной работе. 1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. §§89-93, 97-98. М.: Просвещение, 2011г. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2 ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Изучение закона Ома и зависимости электрического сопротивления проводника от его геометрических параметров; опытное определение удельного сопротивления металлического проводника. 2. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 2.1. Закон Ома для участка цепи. Сопротивление проводника. Немецкий физик Георг Ом в 1826 г. Обнаружил, что отношение напряжения между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока в цепи есть величина постоянная: U R const . I Эту величину называют сопротивлением. Единица электрического сопротивления в СИ – Ом. Электрическим сопротивлением 1 Ом обладает такой участок цепи, на котором при силе тока 1 А напряжение 1В: 1 Ом 1В . 1А Опыт показывает, что электрическое сопротивление проводника R прямо пропорционально его длине l и обратно пропорционально площади S поперечного сечения: R l . S 22 Постоянный для данного вещества параметр ρ называется удельным сопротивлением вещества. Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи. 2.2. Последовательное и параллельное соединение проводников Проводники в электрических цепях постоянного тока могут соединяться последовательно и параллельно. При последовательном соединении проводников конец первого проводника соединяется с началом второго и т.д. (рис.1). При этом сила тока одинакова во всех проводниках, а напряжение U на концах всей цепи равно сумме напряжений на всех последовательно включенных участках: R2 R1 U U1 U 2 U 3 , R3 2 U1 IR1 , U 2 IR2 , U 3 IR3 , Рис. 1 и U IR, IR IR1 IR2 IR3 I ( R1 R2 R3 ). Полное сопротивление участка из последовательно проводников равно: R R1 R2 R3 . соединенных 23 При параллельном соединении проводников их начала и концы имеют R1 общие точки подключения к источнику (рис. 2). При этом напряжение на всех R2 проводниках одинаково, а сила тока в 2 неразветвленной цепи равна сумме сил R3 токов во всех параллельно включенных проводниках: I I1 I 2 I 3 . С помощью Рис. 2 закона Ома можно показать, что при параллельном соединении 1 1 1 1 . R R1 R2 R3 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 3.1. Методика проведения эксперимента и описание установки Внешний вид лабораторной установки показан на рис. 3. Вдоль стойки 1 с делениями натянут проводник 2 в виде металлической проволоки. Вдоль проводника можно передвигать скользящий контакт 3 и, таким образом, включать в схему измерений часть проводника, расположенную между точками А и С. В измерительном блоке 4 находятся источник постоянного напряжения с регулятором тока 5 и измерительные приборы – амперметр 6 и вольтметр 7. Для измерения сопротивления R AC между точками А и С используется метод амперметра и вольтметра, при этом с помощью переключателя 8 можно выбирать две различные схемы подключения приборов к измеряемому сопротивлению. Эти схемы показаны на рис. 4 ( U 0 - 24 напряжение источника, ra В 2 внутреннее С 3 А 1 и rв - сопротивления амперметра и вольтметра). На том же рисунке соответствующие 6 В схеме 1(рис. 4 а) вольтметр показывает 4 эквивалентные схемы. 5 7 изображены 8 напряжение параллельном Рис. 3 U1 на соединении измеряемого сопротивления R AC и вольтметра rв, поэтому: U 1 I1 R AC rв I1 R1 R AC rв В схеме 2 показание вольтметра U 2 (1) соответствует напряжению на последовательном соединении R AC и сопротивления амперметра ra , то есть U 2 I 2 ( RAC ra ) I 2 R2 . (2) В соответствии с методом амперметра-вольтметра и законом Ома измеряемые величины сопротивления будут равны R1 U1 I1 R2 U2 I2 (3) Пользуясь формулами (1), (2), находим истинные значения искомого сопротивления: 25 R AC (1) R1 rв rв R1 (4) Замечание: Поскольку rв>>RAC , то можно с хорошей точностью считать RAC ≈ R1. Во второй схеме амперметр и проволока АС соединены последовательно: RAC (2) R2 ra (схема 2). (5) Для определения удельного сопротивления проводника используем известную формулу RAC где l , S (6) - длина проводника, определяемая по шкале 1 (см. рис. 1), S - площадь сечения проволоки (указана на стенде). Перемещая скользящий контакт, произвести расчеты R AC по (4-5) при различных длинах . Далее с помощью (6) несложно рассчитать удельное сопротивление металла : R AC S . l (7) 26 A A A A V С U0 V С B U0 B RAC U1 0 RAC I1 I2 ra rв ra U2 U0 rв RCB 0 U0 RCB б) a) Рис. 4 3.2. Порядок выполнения работы Рекомендуем работу по разным схемам (Упр 1 и 2 соответственно) поручить разным бригадам учащихся. Упражнение 1 (схема 1) 1. Привести ручку регулятора тока 5 в крайнее левое положение. Скользящий контакт 3 установить в среднее положение. Переключатель 8 установить в нажатое положение (схема 1). 27 2. Включить установку в сеть (выполняет лаборант). Регулятором тока 5 установить величину тока I1=150 мА. 3. Передвигая скользящий контакт 3 вдоль шкалы 1 вниз с шагом 5 см., начиная с =50 см, произвести измерения напряжений U 1 и токов I1 в схеме 1 при трех различных значениях . Полученные данные занести в табл. 1. Упражнение 2 (схема 2) 4. Установить скользящий контакт 3 в среднее положение. Перевести переключатель 8 в ненажатое положение (схема 2). Регулятором тока 5 установить величину тока I2 =200 мА. 5. Передвигая контакт 3, аналогично пункту 3, произвести измерения напряжений U 2 и токов I 2 в схеме 2. Результаты записать в табл. 2. 6. По данным табл. 1 рассчитать величины измеряемых сопротивлений R1 и R2 (формула (3)), записать полученные данные в табл. 1. 7. По формуле (7) рассчитать удельное сопротивление металла. Рассчитать среднее значение <ρ> и среднеквадратическую погрешность σ: i n , 1 (i ) 2 n(n 1) Расчеты рекомендуем проводить с помощью готовой программы на компьютере. Рассчитать относительную погрешность: 100% . 8. Записать результат в стандартном виде: ρ=(<ρ >±σ) ед изм., δρ=….% 9. По полученным результатам эксперимента сделать выводы. 28 Таблица 1. ,м U1 , B I1 , A R1, Ом RAC (1) ρ, Ом∙м I2 , A R2, Ом R AC (1) ρ, Ом∙м 0,5 0,4 0,3 Результат: ρ= Таблица 2. ,м U2, B 0,5 0,4 0,3 Результат: ρ= 4. Контрольные вопросы 1. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи. 2. От каких параметров зависит электрическое сопротивление металлического проводника. В каких единицах измеряется удельная электрическая проводимость. 3. Изобразите две схемы измерения сопротивления, применяемые в лабораторной установке. В какой из этих схем измеряемое значение сопротивления не зависит от внутреннего сопротивления амперметра? 5. ЛИТЕРАТУРА к лабораторной работе 1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. §§102-105. М.: Просвещение, 2011 г. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3 ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Научиться измерять ЭДС источника тока и косвенными измерениями определять его внутреннее сопротивление, закрепление материала по теме «Закон Ома для замкнутой цепи». Оборудование: аккумулятор или батарейка для карманного фонаря, вольтметр, амперметр, реостат, ключ. 2. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ Электродвижущая сила источника тока ε равна отношению работы сторонних сил при перемещении заряда по замкнутому контуру к величине этого заряда. Измеряется в вольтах. Сторонние – это силы, приводящие в движение заряды внутри всех источников тока против направления действия кулоновских сил. Они, например, заставляют электроны при протекании тока через источник переходить на катод (отрицательный электрод), преодолевая силу кулоновского отталкивания. Все сторонние силы – неэлектростатического происхождения (химические - в гальваническом элементе, магнитные – в генераторах электростанций и д.). Закон Ома – основа всей электротехники постоянных токов. Закон Ома для замкнутой цепи записывают в виде: I Rr (1) 30 Сила тока в замкнутой цепи равна отношению ЭДС источника к полному сопротивлению цепи. Сила тока зависит от трех величин: ЭДС источника, сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Внутреннее сопротивление источника тока не оказывает заметного влияния на силу тока, если оно мало по сравнению с сопротивлением внешней части цепи (R>>r). При этом напряжение на зажимах источника примерно равно ЭДС. 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ В эксперименте (схема представлена на рис.1) источник тока замкнут на вольтметр, сопротивлении которого Rв должно быть много больше внутреннего сопротивления источника тока r. Обычно сопротивление источника мало, поэтому можно использовать школьный вольтметр со шкалой 0-6 В и сопротивлением Rв =900 Ом. При разомкнутой внешней цепи (ключ К) ток будет идти только через вольтметр и источник, а поскольку сопротивление вольтметра очень велико, то ток будет очень малым. Напряжение, показываемое вольтметром, будет примерно равно ЭДС источника. Поскольку Rв >>r отличие ЭДС от U не будет превышать десятых долей процента, а потому погрешность измерения ЭДС будет 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 получаем U Ir , где U=IR – напряжение на внешней цепи (R – сопротивление реостата). Поэтому 31 r U I (2) 1. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке. Покажите ее учителю, получите разрешение на проведение измерений. 2. При разомкнутом ключе проведите измерение ЭДС источника и запишите его в тетрадь. 3. Установите движок реостата в среднее положение. Замкните цепь. Измерьте напряжение и силу тока на внешнем участке цепи с помощью вольтметра и амперметра. Результаты запишите в Таблицу. 4. Повторите п.3 при двух других положениях реостата. 5. Рассчитайте внутреннее сопротивление источника по (2) и результаты запишите в таблицу 1. Таблица 1. Сопротивление R1 R2 R3 реостата Измерение U, В Измерение I, A Расчеты r, Ом 6. Рассчитайте среднее значение емкости и его среднеквадратическую погрешность: 32 r r i n , 1 (ri r ) 2 n(n 1) 7. Рассчитайте относительную погрешность электроемкости r r ∙100%. 8. Запишите результат в стандартном виде: r=(<r >±σ) ед изм., δr=….% 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое сторонние силы источника тока? Каково их происхождение? 2. Дайте определение электродвижущей силы источника (ЭДС). В чем измеряется ЭДС? 3. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи, содержащей ЭДС. 4. Как зависят показания вольтметра при замкнутом ключе на схеме рис.1 от сопротивления источника? 5. Как измерить ЭДС источника? 5. ЛИТЕРАТУРА к лабораторной работе I. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. §§107, 108. М.: Просвещение, 2011. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4 ИЗМЕРЕНИЕ СИЛЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В ЦЕПИ С КОНДЕНСАТОРОМ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Получить навыки сборки электрической цепи по схеме и проведения измерений, закрепление теоретического материала по теме «Переменный ток», и «колебательный контур». Оборудование: источник переменного напряжения (до 6 В), конденсаторы, миллиамперметр переменного тока, вольтметр переменного тока, омметр, соединительные провода. 3. КРАТКОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ 2.1. Основные понятия Систему из двух проводников, разделенных слоем диэлектрика, называют конденсатором. При этом толщина слоя диэлектрика мала по сравнению с размерами проводников, называемых при этом обкладками конденсатора. Электроемкость конденсатора – это величина, характеризующая его способность накапливать электрические заряды. Она определяется геометрическими размерами, формой и взаимным расположением обкладок, свойствами диэлектрика между ними. Численно электроемкость С равна заряду, который надо сообщить обкладке, чтобы разность потенциалов между пластинами изменилась на 1 вольт (В) и определяется по формуле: 34 С q . U При подаче переменного напряжения между пластинами конденсатора происходит периодически повторяющиеся процессы зарядки и разрядки конденсатора через внешнюю для него цепь или, иначе – возникает переменный ток в цепи. При этом переноса электрических зарядов через диэлектрик внутри конденсатора не происходит. Заряд на обкладках конденсатора и напряжение между ними будут изменяться по закону: q q0 cos t и U q q0 cos t U 0 cos t C C соответственно. Мгновенные значения силы тока в цепи определяются формулой: I q q 0 sin t U 0 C sin t I 0 sin t t . Амплитудное значение силы тока в цепи и напряжения на конденсаторе связаны соотношением: I 0 U 0C U0 Xc , где Xc 1 C - емкостное сопротивление. Для описания значения силы тока в цепи переменного тока в электротехнике принято использовать не амплитудные значения силы тока I0 и напряжения U0, а действующие (или эффективные) значения силы тока и напряжения: Iд I0 2 , Uд U0 2. I д U дC. И именно эти значения силы тока и напряжения измеряют амперметра и вольтметра в цепях переменного тока. (1) с помощью 35 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Схема установки приведена на рисунке. Частота напряжения на выходе источника ν=50 напряжение C Uд Гц. Изменяя (поворотом соответствующей ручки на панели источника) и измеряя действующее А V значение силы тока с помощью амперметра, с помощью (1) можно рассчитать емкость конденсатора С: С Iд Iд U д U д 2 (2) Равенство (1) справедливо, если пренебречь активным сопротивлением R остальных участков цепи. Тогда должно соблюдаться условие Xc 1 1 R C 2C . (3) При этом пренебрежении расчеты по (1) и (2) допускают относительную ошибку, которую можно грубо оценить как R Xc . 1. Соберите электрическую цепь по схеме, представленной на рисунке. 2. Измерьте с помощью омметра электрическое сопротивление подводящих проводов и амперметра. И запишите его в тетрадь. 3. Установите напряжение на выходе источника 2 В, измерьте силу тока в цепи. Результаты запишите в Таблицу. 4. Повторите п.3 при значениях напряжения 4 и 6 В. 5. Рассчитайте емкость С по (2) и результаты запишите в Таблицу 1. 6. Рассчитайте среднее значение емкости и его среднеквадратическую погрешность: С C n i , 1 (Ci C ) 2 n(n 1) 36 7. Убедитесь в справедливости условия (3). Запишите соответствующие расчеты в тетрадь. С 8. Рассчитайте относительную погрешность электроемкости С 9. Запишите результат в стандартном виде: С =(<C >± σ) ед. изм., δС=…. Таблица 1. Напряжение 2B 4В 6В источника Uд, В Измерение Iд , A Расчеты C, Ф Результаты С= 4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Что такое конденсатор? Для чего его используют? 2. Дайте определение электроемкости конденсатора. От чего она зависит? Каковы единицы измерения электроемкости? 3. Что такое действующие значения напряжения и силы тока в цепях переменного тока. 4. Что такое емкостное сопротивление? Как меняется Хс при изменении частоты тока (напряжения) в цепи? 5. ЛИТЕРАТУРА к лабораторной работе 1. 2. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. §§100, 97-98. М.: Просвещение, 2011 г. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс. §§28-33. М.: Просвещение, 2011 37 ЛИТЕРАТУРА 1. Мякишев Г.Я. Физика. 10 класс. М.: Просвещение, 2011 г 2. Мякишев Г.Я. Физика. 11 класс. М.: Просвещение, 2011 г 3. Гольдин Л.Л. «Руководство к лабораторным занятиям» 4. Детлаф А.А., Яворский М.В. «Курс физики», М.1989 г. 5. Глазунов А.Т., Кабардин О.Ф., Малинин А.Н. Под ред. А.А.Пинского Физика. Учебное пособие для 11 кл школ с углубл. Изучением физики М., Просвещение. 2010. 6. Ресурсы интернета.
