Лабораторный практикум по электричеству и магнетизму: Практическое пособие. Часть 2

М И Н И СТ Е РСТ В О О БРА ЗО В А Н И Я И Н А У К И РО ССИ Й СК О Й Ф Е Д Е РА Ц И И В О РО Н Е Ж СК И Й ГО СУ Д А РСТ В Е Н Н Ы Й У Н И В Е РСИ Т Е Т

ЛА Б О РА Т О РН Ы Й ПРА К Т И К У М ПО ЭЛЕ К Т РИ ЧЕ СТ В У И М А ГН Е Т И ЗМ У Часть2 Практическоепособие Специальности: 010400 – ф из ика, 013800 – рад иоф из ика и электроника, 014100 – м икроэлектроника и полупровод никовы еприборы

В О РО Н Е Ж 2004

2

У тверж д ено научно-м етод ическим советом ф из ического ф акультета (14.04.04 г., протокол№ 4)

Составители: А лейников Н .М ., А лейников А .Н .

Практическое пособие по электричеству и м агнетиз м у (часть 2) под готовлено на каф ед реобщ ей ф из ики ф из ического ф акультета В оронеж ского госуд арственного университета. Реком енд уется д ля ауд иторной и сам остоя тельной под готовки студ ентов 2 курса д невного и вечернего отд елений ф из ического ф акультета.

3

Лабораторная работа № 16а И З У Ч Е НИ Е З А К О НО В П О С Т О Я ННО Г О Т О К А Ц ел ь работы : научиться собирать простейш ие электрические сх ем ы , эксперим ентально проверитьз акон О м а и з акон Д ж оуля -Ленца. О писание макета Лабораторны й м акет (рис.1), питаем ы й от сети перем енного напря ж ения 220 В , вклю чает д ва источника постоя нного напря ж ения Е и Е Х , д ва рез истора с ном иналам и R1=207 О м и R2=514 О м , рез истор RХ снеиз вестны м сопротивлением , рез истор R с регулируем ы м сопротивлением , вольтм етр постоя нного тока V, нулевой чувствительны й прибор Г – гальваном етр. (Гальваном етр Г в д анной работе не прим еня ется , а использ уется в работе№ 16б).

Г R1

RX

R

R2

E

EX

V

Рис.1

У пр .1. О предел ение эдсисточника Закон О м а д ля полной цепи им еет вид I =

E (1), r+R

гд еI – сила тока, E – эд систочника, r – внутреннеесопротивлениеисточника эд с, R – сопротивлениевнеш ней цепи. О чевид но, что при больш их з начения х R (R»r) напря ж ение U на внеш нем сопротивлении R равно Е , т.е.

Е

V Рис.2

E U = IR = R ≈ E . Е сли к источнику Е под клю чить вольтм етр V, внутреннее r+R

сопротивление которого, з начительно превы ш ает сопротивление источника r (RV»r), то вольтм етр покаж ет з начениеЕ . З ад ан и е 1. По показ ания м вольтм етра (рис.2) опред елитьэд систочника Е . З ад ан и е 2. Повторитьиз м ерения и опред елитьэд систочника Е Х .

У пр . 2. О предел ение внутреннего сопротивл ения источника эдс З ад ан и е. Собрать сх ем у рис.3. И з м ерить напря ж ение U на из вестном сопротивлении R (R1 или R2). В ы числитьток по Е V з акону О м а I=U/R. И спольз уя з начение Е , полученное в R r упр.1, по з акону О м а д ля полной цепи (1) вы числить внутреннеесопротивление источника r. Привести прим еры вы Рис.3 числений. У пр .3. О предел ение неизвестного сопротивл ения З ад ан и е. Зам енить в пред ы д ущ ей сх ем е (рис.3) из вестное сопротивление неиз вестны м R Х и из м ерить на нем напря ж ение. И спольз уя з начения Е и r,

4

полученны ев упр. 1 и 2, вы числить по з акону О м а (1) величину R Х . Привести прим ер вы числений. У пр .4. П осл едовател ьное и парал л ел ьное соединение сопротивл ений При послед овательном соед инении n сопротивлений полноесопротивлеn

ниеR равно их сум м е R = ∑ Ri . i =1

При параллельном соед инении n сопротивлений величина обратная полном у сопротивлению 1/R равна сум м еобратны х сопротивлений

n 1 1 =∑ . R i =1 Ri

З ад ан и е 1. К источнику Е (рис.4а) под клю чить послед овательно соед иненны е рез исторы R1 и R2 и из м еритьна них напря ж ения U1посл и U2посл. R1 U1 Е З ад ан и е 2. К источнику Е (рис.4б) под клю чить паr раллельно соед иненны е рез исторы R1 и R2 и R2 U 2 из м еритьна них напря ж ения U1пар и U2пар. а З ад ан и е 3. И спольз уя полученны е в упр. 1 и 2 з начения Е и r, а такж е из вестны е з начения R1 и R2 вы числить Е з начения U1 и U2 д ля случаев послед овательного и R2 U r R1 параллельного соед инения сопротивлений. Привести прим еры вы числений и сравнить их с рез ультатам и б Рис.4 из м ерений.

У пр .5. З акон Джоул я-Ленц а З ад ан и е. По рез ультатам из м ерений U1посл , U2посл , U1пар , U2пар упраж нения 4 по з акону Д ж оуля -Ленца P=U2/R вы числить м ощ ности Р 1посл , Р 2посл , Р 1пар , Р 2пар, рассеиваем ы е на сопротивления х R1 и R2 при послед овательном и параллельном соед инении сопротивлений. Привести прим еры вы числений. И з полученны х четы рех з начений м ощ ности указ ать м иним альное и м аксим альноез начения . Сд елатьвы вод ы . О бработка резул ьтатовизмерений 1. Д ля всех вы полненны х упраж нений привести сх ем ы из м ерений. 2. Привести прим еры вы числений опред еля ем ы х в упраж нения х величин. 3. Сд елатьвы вод ы по работе. К онтрол ьн ые вопросы 1. Сф орм улируйтез акон О м а: д ля учаска цепи, д ля полной цепи, д ля участка цепи, вклю чаю щ ей эд с. Закон О м а в д иф ф еренциальной ф орм е. 2. Поня тие сторонних сил. Почем у сторонние силы не м огут бы ть электростатического происх ож д ения ?

5

3. Послед овательноеи параллельноесоед инениесопротивлений. 4. К акопред елитьвнутреннеесопротивлениеи эд систочника? 5. Закон Д ж оуля -Ленца в интегральной и д иф ф еренциальной ф орм ах . Литература 1. К алаш ников С.Г. Электричество / С.Г.К алаш ников. – М ., 1985, С. 113-120, 131-136. 2. Электрическиеиз м ерения / Под ред . А .В .Ф рем ке. – Л., 1973. 3. Электрическиеиз м ерения / Под ред . Е .Т .Ш рам кова. – М ., 1972.

Лабораторная работа № 16б НУ ЛЕ В Ы Е М Е Т О ДЫ И З М Е Р Е НИ Й Ц ел ь работы: оз наком иться с нулевы м и м етод ам и из м ерений – м остовы м м етод ом из м ерения сопротивлений и ком пенсационны м м етод ом из м ерения эд си напря ж ений. О писание макета Г Лабораторны й м акет (рис.1), M R1 RX R питаем ы й от сети перем енного напря ж ения 220 В , вклю чает д ва V источника постоя нного напря ж ения Е EX E R2 Рис.1 и Е Х , д ва рез истора с ном иналам и R1=207 О м и R2=514 О м , рез истор RХ с неиз вестны м сопротивлением , рез истор R с регулируем ы м сопротивлением , вольтм етр постоя нного тока V, нулевой чувствительны й прибор (гальваном етр) Г и м агаз ин сопротивлений М . У пр .1. И змерение сопротивл ения мостовы м методом c При из м ерении неиз вестного сопротивления м етод ом R R3 x ам перм етра- вольтм етра воз никаю т ош ибки из м ерений из a b з а погреш ностей, вносим ы х ам перм етром и вольтм етром . Г Е сли из м еря ем ое сопротивление сравним о по величине с внутренним сопротивлением вольтм етра, то вольтм етр, R1 R2 ш унтируя участок с сопротивлением , соз д ает ош ибку в опd ред елении сопротивления . При м алы х з начения х сопротивРис.2 ления , сравним ы х с сопротивлением ам перм етра, ам перм етр соз д ает д ополнительноесопротивление, что такж епривод ит кош ибкам .

6

М остовы е м етод ы из м ерения сопротивлений поз воля ю т исклю чить ош ибки, соз д аваем ы е ам перм етром и вольтм етром . Н а рис.1 четы ре сопротивления RХ , R1, R2 и R3 образ ую т плечи так наз ы ваем ой сх ем ы м оста. В од ну д иагональ м оста ab вклю чен источник эд с E, а в д ругую д иагональ cd – нулевой прибор Г (гальваном етр или д ругой вы сокочувствительны й прибор). О чевид но, что ток в д иагонали cd, буд ет отсутствовать, если потенциалы в точках c и d од инаковы , т.е. равны напря ж ения Uaс=Uad и Ucb=Udb. Это вы полня ется при соотнош ении м еж д у плечам и м оста, наз ы ваем ы м условием баланса м оста

Rx R1 = . R3 R2

Пусть, наприм ер, R1 и R2 – из вестны е постоя нны е сопротивления , а R3 – регулируем ое сопротивление, наприм ер, м агаз ин сопротивлений. Регулируя R3, м ож но д обиться баланса м оста по показ ания м нулевого прибора Г и неиз вестноесопротивлениеRХ вы числитьпо ф орм улеRx = R3

R1 (1). R2

Д остоинство м етод а в том , что точность опред еления RХ не з ависит от точности из м ерительны х приборов, а з ависит только от чувствительности нулевого прибора и от точности сопротивлений R1, R2 и R3. М остовы е м етод ы ш ироко прим еня ю тся не только д ля из м ерения активны х сопротивлений, но и д ля из м ерения ем костей и инд уктивностей. При этом использ ую тся источники перем енного тока, а в качестве нулевы х инд икаторов раз нообраз ны е вы сокочувствительны е устройства – осциллограф ы , циф ровы евольтм етры , световы еи з вуковы еинд икаторы и д р. З ад ан и е 1. Собрать сх ем у рис.2. В плечо аc вклю чить рез истор RХ , в плечо bc – м агаз ин сопротивлений (использ ую тся 1 и 4 клем м ы ). В ращ ая курбели м агаз ина, д обиться нулевого показ ания прибора Г. О пред елитьз начение R3 и вы числить по ф орм уле (1) неиз вестное сопротивление RХ . Сравнить с рез ультатом работы № 4 (упр.3). З ад ан и е 2. И з м ерить внутреннее сопротивление вольтм етра, з ам енив RХ в пред ы д ущ ем з ад ании вольтм етром . У пр .2. О предел ение эдсисточника компенсац ионным методом К ом пенсационны й м етод из м ерения эд с и напря ж ений, такж е как и м остовой м етод из м ерения сопротивлений, относится к нулевы м м етод ам . М етод основан на ком пенсации (уравнивании) из м еря ем ого напря ж ения (эд с) напря ж ением от вспом огательного источника. В ы сокая точность при ком пенсационны х из м ерения х опред еля ется тем , что когд а напря ж ения ском пенсированы , ток через нулевой прибор и из м еря ем ы й источник эд с не ид ет. При этом исклю чаю тся ош ибки, вносим ы е пад ением напря ж ения на внутреннем сопротивлении из м еря ем ого источника и на провод никах , а такж е исклю чается ш унтирую щ ее воз д ействие из м ерителя напря ж ения – вольтм етра.

7

Н а рис.3 показ ан прим ер ком пенсационной сх ем ы . О чевид но, что ток через нулевой прибор Г не ид ет, когд а потенциалы в точках b и d од инаковы . Потенциалы в точках а и с такж еод инаковы , т.к. ас – это участок провод ника, по котором у ток в м ом ент ком пенсации не ид ет. След овательно, в м ом ент ком пенсации напря ж ение Uab равно напря ж ению Ucd, т.е. EX. Т аким образ ом , опред еление эд с свод ится к из м ереE нию напря ж ения на сопротивлении R. R З ад ан и е 1. Собрать сх ем у рис.3. В качестве перем енног о сопротивления R использ овать рез истор a b V R, раз м ещ енны й на м акете. Рег улируя R, д обиться Г E x нулевог о показ ания прибора Г . По показ ания м c d вольтм етра V опред елить эд с Е Х . Сравнить с Рис.3

рез ультатом работы № 4 (упр.2). О бработка резул ьтатовизмерений 1. Д ля всех вы полненны х упраж нений привести сх ем ы из м ерений. 2. Привести прим еры вы числений опред еля ем ы х в упраж нения х величин. 3. Сд елатьвы вод ы по работе. К онтрол ьн ые вопросы 1. Погреш ности, вносим ы е при из м ерения х ам перм етром и вольтм етром . К аким д олж но бы ть внутреннее сопротивление у ид еальны х ам перм етра и вольтм етра? Почем у? 2. Поня тие о нулевы х м етод ах из м ерений. К аким требования м д олж ен уд овлетворя тьнулевой прибор? 3. Почем у при нулевы х м етод ах д остигается вы сокая точностьиз м ерений? 4. М остовой м етод из м ерения сопротивлений. У словиебаланса м оста. 5. К ом пенсационны й м етод из м ерения эд си напря ж ений. Литература 1. Электрическиеиз м ерения / Под ред . А .В .Ф рем ке. – Л., 1973. 2. Электрическиеиз м ерения / Под ред . Е .Т .Ш рам кова. – М ., 1972.

8

Лабораторная работа № 12 И З У Ч Е НИ Е Т Е М П Е Р А Т У Р НО Й З А В И С И М О С Т И С О П Р О Т И В ЛЕ НИ Я М Е Т А ЛЛО В Ц ел ь работы: оз наком иться с тем пературной з ависим остью м еталлического рез истора и опред елитьего электрическиепарам етры . В ведение. В се вещ ества в з ависим ости от их уд ельного электрического сопротивления ρ раз д еля ю тся на 3 группы : ρ