Лабораторні роботи з фізики

Лабораторна робота № 6 (2 години)

Тема: Визначення питомого опору провідника

1. Мета роботи: виміряти питомий опір дроту; набути навичок користування амперметром, вольтметром, мікрометром.

2. Прилади і обладнання:

Дріт з матеріалу з великим питомим опором, натягнутий на дерев’яну планку

Лабораторний амперметр (шкільний)

Лабораторний вольтметр (шкільний)

Акумулятор

Вмикач

Реостат на 6-10 Ом і 2 А

Мікрометр

Лінійка з ціною поділки 1 мм

З’єднувальні провідники 7 шт.

Загальні теоретичні положення

Електричний струм у металі – це впорядкований рух вільних зовнішніх його електронів по провіднику під дією електричного поля. Метали мають кристалічну решітку, в вузлах якої знаходяться позитивно заряджені іони, між якими рухаються вільні зовнішні електрони. Позитивно заряджені іони лише коливаються навколо власних положень рівноваги і не пересуваються у металі під впливом електричного поля. Атом, що втратив кілька власних зовнішніх електронів стає позитивним іоном. Електрони, що створюють електричний струм, під час руху частково стикаються та взаємодіють з іонами кристалічної решітки, що затримує їх рух. Тому вважають, що з боку метала існує опір R до впорядкованого руху електронів.

Чим більше довжина провідника l, тим більша кількість іонів зустрічається на шляху електронів і тому опір R провідника більший. Чим менша площа S поперечного січення провідника, тим менша кількість проміжків між іонами і електронам важче одночасно пройти між іонами без взаємодії з ними, що збільшує опір провідника.

З математичної точки зору питомий опір матеріалу ρ є коефіцієнтом пропорційності між опором та геометричними параметрами провідника, а з фізичної точки зору він характеризує здатність різних речовин проводити скрізь себе електричний струм, якщо геометрична форма провідників однакова.

Питомий опір матеріалу ρ можна обчислити, використовуючи формули 1, 2:

, (1)

, (2)

де R – опір провідника, Ом;

ρ – питомий опір провідника, Ом·м;

l – його довжина, м;

S – площа поперечного перетину провідника (площа круга), м2;

r – радіус провідника, м;

d – діаметр провідника, м.

Опір провідника R можна обчислити за законом Ома для ділянки кола, якщо скласти електричне коло за схемою, поданою на малюнку 1 і виміряти амперметром силу струму I, а вольтметром - напругу U.

У цьому випадку питомий опір ρ провідника визначається з формули 1 з урахуванням формули 2 і матиме вигляд:

, (3)

або врахувавши закон Ома для ділянки кола

, (4)

де U – напруга на ділянці дроту з великим питомим опором, В;

І – сила струму у електричному колі, А.

Малюнок 1 – Електричне коло

Порядок виконання роботи

4.1. Скласти електричне коло за схемою, що зображено на малюнку 1. Змінюючи положення повзунка реостата, підібрати силу струму не більшу за 0,5 А (щоб не перевантажити джерело струму).

Виміряти силу струму і напругу на досліджуваному опорі при цій силі струму.

Виміряти довжину провідника лінійкою, а діаметр дроту – мікрометром у трьох-чотирьох місцях. Якщо результати вимірювань діаметра дроту різні, то обчислити середнє значення діаметра.

Обчислити приблизне значення питомого опору провідника за формулою 4.

Визначити інструментальні похибки вимірювальних приладів і похибки їх відліку. Обчислити максимальні абсолютні і відносні похибки вимірювальних величин. Обчислити максимальні відносну і абсолютну похибки вимірювання питомого опору провідника.

Записати результат вимірювання питомого опору ρ провідника і значення його відносної помилки δ у вигляді:

, (5)

 (4)

За допомогою довідника визначити матеріал провідника.

(Використовуйте таблицю питомих опорів різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р.А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 380)

Контрольні запитання

Що таке питомий опір і в яких одиницях його вимірюють?

Як зміниться опір провідника, якщо його довжину збільшити у 2 рази?

Чому і у скільки разів при паралельному з’єднанні двох однакових провідників їх загальний опір зменшується?

Навіщо для виготовлення нагрівних приладів застосовують провідники з великим питомим опором, а для підвідних провідників – з малим?

У скільки разів зміниться опір провідника (без ізоляції), якщо його зігнути удвічі і спружнити?

Як зміниться показ амперметра, якщо від схеми, яка показана на малюнку 2, перейти до схеми на малюнку 3? Напруга залишається сталою.

Малюнок 2 – Схема Малюнок 3 – Схема

5,7 Мідний і алюмінієвий провідники мають однакові лінійні розміри. У якого провідника більший опір і у скільки разів? (Використовуйте таблицю питомих опорів різних речовин, наприклад, у збірнику задач і запитань Р.А. Гладковой, 1988 року видання на сторінці 380)

Висновки

Оформлення звіту

Лабораторна робота № 7 (2 години)

Тема: Дослідження залежності потужності та ККД джерела струму від його навантаження

1. Мета роботи: визначити повну і корисну потужність, а також ККД джерела струму. Побудувати графік залежності корисної потужності струму від опору, а також ККД від опору. Довести дослідним шляхом, що при найбільшої потужності ККД джерела струму приблизно дорівнює 50%.

2. Прилади і обладнання:

Амперметр

Вольтметр

Реостат

Два вимикача

Знижувальний трансформатор (або батарея гальванічних елементів)

З’єднувальні дроти 7 шт.

Загальні теоретичні положення

Джерело струму виконує роботу по переміщенню вільних носіїв заряду вздовж провідника по замкненому електричному колу. Робота джерела струму характеризується швидкістю її виконання (потужністю), тобто, кількістю роботи, що виконується за одиницю часу. Потужність N електроприладу визначається добутком напруги U, що є на його клемах, на силу струму I, що проходить скрізь нього. Силу струму у електричному колі можна регулювати, змінюючи його опір, наприклад, за допомогою реостата. Отже, змінюючи загальний опір кола, змінюється сила струму у колі і потужність електроприладів. Під навантаженням джерела струму розуміють загальну потужність електричного кола.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) джерела струму залежить від його навантаження, що можна визначити дослідним шляхом. Дуже важливо знати оптимальне значення навантаження для роботи джерела струму з мінімальними втратами електроенергії.

Електросхема складається: з джерела струму, двох котушок знижувального трансформатора, реостата, амперметра, вольтметра, двох вимикачів і 7 з’єднувальних металевих провідників.

Малюнок 1 – Електросхема дослідної установки

Повна потужність Nзаг складається з потужностей джерела струму і споживачів та знаходиться з формули 1:

(1)

Корисну потужність Nкор (потужність приладів споживачів) знаходимо з формули 2:

(2)

Отже, ККД джерела струму розраховуємо так:

 (3)

де η – ККД джерела струму;

E – ЕРС джерела струму;

Nкор – корисна потужність, Вт;

Nзаг – повна потужність, Вт;

І – сила струму, А;

U – напруга, В.

Порядок виконання роботи

Накресліть таблицю 1

Таблиця 1 – Дані вимірювань і обчислень

№	Е, (В)	U, (B)	I, (A)	R, (Ом)	Nкор, (Вт)	Nзаг, (Вт)	η

Скласти схему, яка зображена на малюнку 1.

Підключити вольтметр до джерела струму (ключ К1 ввімкнутий, а ключ К2 – вимкнутий) та виміряти ЕРС джерела струму. Так як опір вольтметра R значно більше опору джерела струму r, то через нього проходе дуже малий струм і, тому, потужністю вольтметра можна знехтувати, отже, він наближено показує величину ЕРС джерела струму.

Встановити максимальний опір реостата, ввімкнути ключи К1 і К2. Зменшуючи поступово опір реостату, виміряти 8-10 значень напруги і відповідних значень сили струму. За формулами 1, 2 для кожного значення сили струму і напруги обчислити Nкор і Nзаг.

За законом Ома для ділянки кола знайти опір:

, (4)

де R – опір зовнішньої ділянки кола, Ом.

За формулою 3 обчисліть ККД джерела струму.

Побудувати графіки залежностей корисної потужності і ККД від опору зовнішньої ділянки кола за формулами:

, (5)

 (6)

Запишіть результати вимірювань і обчислень в таблицю 1.

Контрольні запитання

Запишіть формули закону Ома для ділянки та повного кола, назвіть фізичні величини, що в них присутні та їх одиниці вимірювання.

Як правильно підключити вольтметр та амперметр до споживача? Яким умовам повинні відповідати їх опори?

Визначить ціну поділки приладу, якщо на його шкалі між цифрами 10 і 12 знаходиться 5 поділок, 4 поділки? Визначить ціну поділки приладів, що використуються у роботі, та максимальні значення, які можна виміряти.

Навіщо повзунок реостата ставлять у положення, що відповідає максимальному його опору, перед вмиканням ключа?

Як визначити потужність електроприладу, якщо відомі його опір і сила струму у ньому; опір і напруга на його затискачах?

Чому ККД будь-якого приладу завжди менше одиниці? Як визначають ККД приладу?

Обчисліть роботу електричного струму за 1 хвилину, якщо потужність електроплитки 2 кВт. Чи достатньо цієї енергії для нагрівання води масою 1 кг від 0 0С до кипіння, якщо відсутні теплові втрати енергії у навколишнє середовище?

Висновки

Оформлення звіту

Лабораторна робота № 8 (2 години)

Тема: Спостереження дії магнітного поля на струм

1. Мета роботи: дослідити взаємодію провідника зі струмом і магніту. Набути практичних навичок у визначенні напряму руху провідника зі струмом у магнітному полі.

2. Прилади і обладнання:

Джерело постійного струму

Штабовий магніт

Штатив

Вимикач

Котушка з мідним провідником

Реостат

З’єднувальні провідники - 4 шт.

Загальні теоретичні положення

Магнітне поле, як і електричне, є одним з видів матерії. Воно виникає, наприклад, при русі електрично заряджених частинок і навколо провідників зі струмом. Магнітне поле має енергію, яка називається енергією магнітного поля. Тому, якщо в магнітне поле, що оточує провідник з електричним струмом, внести другий провідник зі струмом, то на останній діє сила магнітного поля. В свою чергу магнітне поле другого провідника зі струмом діє на перший. Під дією сил поля провідник зі струмом може переміщуватися; в цьому випадку виконується робота за рахунок енергії магнітного поля. Електричний струм у провіднику і магнітне поле навколо нього – нерозривно зв’язані явища.

Інтенсивність магнітного поля у кожної його точці характеризується (магнітною індукцією) вектором індукції магнітного поля - , [Тл] ; магнітне поле зручно зображати силовими лініями, до яких вектор  напрямлен по дотичній. Магнітна індукція  у будь-якій точці поля навколо провідника з електричним струмом залежить від величини сили струму I, форми провідника, відстані точці від провідника і від властивостей середовища, у якому знаходиться магнітне поле.

Магнітні силові лінії завжди замкнені і мають напрямок від північного полюса (N) до південного (S), що показано на малюнку 1. Щоб дослідити напрямок вектора індукції магнітного поля -  у будь-якій точці, використовують магнітну стрілку (компас), яка може вільно обертатись навколо власної осі і орієнтується за напрямком вектора . Щоб побачити форму силових ліній у горизонтальній площині, використовують оргскло, на яке рівномірно розсипають намагнічені мілкі металеві ошурки. Останні під дією магнітного поля орієнтуються за його напрямком.

Правило взаємодії магнітних полюсів: однойменні магнітні полюса відштовхуються один від одного (S-S; N-N), а різнойменні – притягуються (S-N; N-S). Якщо до магнітного полюса котушки зі струмом піднести однойменний полюс постійного магніту, то вони відштовхуються, а якщо піднести різнойменний, - притягуються. У цьому випадку не обов’язково знати напрямок струму у котушці, щоб визначити її полюса.

На прямий провідник довжиною l зі струмом І, вміщений у магнітне поле з індукцією , діє сила Ампера , напрям якої визначається за правилом лівої руки, де α - кут між вектором  і напрямком струму I.

Малюнок 1 - Зображені два полюса магніту, прямолінійна ділянка циліндричного провідника, напрям струму I, сила Ампера, вектор магнітної індукції.

Навколо котушки зі струмом існує магнітне поле, яке подібне полю прямого магніту.

Якщо відомий напрямок струму у котушці, то для визначення напрямку силових ліній магнітного поля кругового струму котушки (соленоїда) використовують правило Буравчика: якщо ручку буравчика обертати за напрямком колового струму, то поступовий рух його острія вкаже напрямок магнітних силових ліній внутрі колового струму.

Отже, скориставшись правилом Буравчика, визначають полюса котушки, по виткам якої тече коловий струм. У цьому випадку не обов’язково мати магніт, щоб визначити її полюса.

Малюнок 2 - Електросхема дослідної установки

Малюнок 3 - Дослідна установка

Порядок виконання роботи

Підвісьте котушку до штатива, приєднавши її до джерела струму послідовно з реостатом і вимикачем. Попередньо вимикач К1 слід розімкнути, а повзунок реостата встановити на максимальний опір.

До підвішеної котушки піднесіть магніт південним полюсом (S) до її торця і, замикаючи коло, спостерігайте за рухом котушки. Визначте магнітні полюса котушки по ефекту взаємодії котушки і магніту, користуючись правилом взаємодії магнітних полюсів.

У звіті про роботу зробіть малюнки магніту і котушки, вкажіть напрям силових ліній магнітної індукції  в котушці, пом’ятая, що вони виходять з північного полюса (N), а заходять до південного (S).

Визначте напрям струму I в котушці по напрямку обертання ручки буравчика, якщо його острій поступово рухається від південного (S) до північного (N) полюса котушки (правило буравчика). Замість буравчика можна використовувати звичайну письмову ручку з правогвинтовою різьбою.

Перевірте визначений напрямок струму I у котушці, користуючись позначками клеми (+) і клеми (-) джерела струму.

Змініть напрям струму у електричному колі, під’єднавши по іншому джерело струму. Визначте передбачуваний напрям руху котушки відносно південного полюса магніту, виконуя пункти 4.1, 4.2, 4.3. і 4.4.

Піднесіть магніт іншим полюсом (північним) до того ж самого торця котушки. Визначте передбачуваний напрям руху котушки відносно цього полюса магніту. Накресліть малюнок за пунктами 4.3. і 4.4.

Контрольні запитання

Чи подібні ефекти взаємодії магнітних полюсів і електричних зарядів?

Чому для досягання мети цієї роботи використовують котушку з намотаним на неї мідним провідником, а не з залізним?

У якому напрямку тече струм у електричному колі, якщо на клемах джерела струму є позначки (+) і (-) ?

Як визначити напрям струму у електричному колі, якщо на клемах джерела струму відсутні позначки (+) і (-) ?

Що буде з магнітом, якщо його поділити на дві частини?

Що називають силовими лініями магнітного поля? Який напрямок вони мають?

Що визначає правило буравчика для колового струму і для прямолінійного струму?

Скільки є способів визначення полюсів котушки?

Який принцип роботи електромагніту? Де його використовують?

Висновки

Оформлення звіту

Лабораторна робота № 9 (2 години)

Тема: Визначення температурного коефіцієнту опору міді