ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1

Вимірювання опорів провідників за допомогою містка Уітстона

Мета роботи:

Вивчити закони постійного струму. Оволодіти методикою теоретичного та експериментального визначення опору провідників містком Уітстона.

Прилади і матеріали:

Реохорд; нуль-гальванометр або мікроамперметр; магазин опорів; набір опорів для вимірювання; джерело струму (акумуляторна батарея); з’єднувальні провідники; ключ.

Завдання до лабораторної роботи:

а) при домашній підготовці:

1. Вивчити закони постійного струму, правила Кірхгофа та їх застосування ((10 §27; (2) §70). Записати в робочий зошит.

2. Вивчити принцип роботи місткової схеми та методику вимірювання опорів ((3), робота №35; (4) задача 69). Записати в робочий зошит.

3. Вивчити, описати в робочому зошиті будову, принцип роботи та правила експлуатації лужного акумулятора, гальванометра магнітоелектричної системи, магазину опорів ((1) §65; (2) §197; (5) §5).

б) при виконанні роботи:

1. Зібрати коло за схемою (рис.1, рис.2).

2. В плече ввімкнути один вимірюваний опір, та зробити вимірювання підібравши опір на магазині так, щоб нуль на гальванометрі встановився при величинах i на реохорді, які мало відрізняються одна від одної. Вимірювати потрібно не менше трьох разів, дещо змінюючи опір .

3. В плече ввімкнути другий із запропонованих опорів та аналогічно зробити вимірювання.

4. В плече ввімкнути послідовно з’єднані опори, які перед цим визначалися і виконати вимірювання. Потім з’єднати ці опори паралельно між собою і виконати вимірювання.

5. Порівняти результати вимірювань з теоретично розрахованими значеннями при послідовному і паралельному з’єднанні опорів. Обчислити похибки вимірювань та записати отриманий результат.

6. Розрахунки провести для кожного вимірювання за формулою:

де – вимірюваний опір, – опір магазину опорів, – плече реохорда , – плече реохорда .

Теоретичні відомості:

Зручною і поширеною містковою схемою є схема містка Уітстона (рис.3). В чотириплечий контур ввімкнено опори , , і , які утворюють так звані плечі містка. Протилежні вершини чотирикутника з’єднують діагоналями, в одну з яких увімкнено гальванометр, у другу – джерело струму .

Якщо вимикач замкнений, а розімкнений, то по ділянках і проходитимуть струми:

Спади напруг на опорах R_x і R₁ відповідно дорівнюватимуть:

При будь-яких значеннях опорів їх завжди можна підібрати так, що виконуватиметься рівність:

Отже, при замиканні вимикача струм через гальванометр не проходитиме ( , і потенціали точок і однакові). Скориставшись властивостями пропорцій маємо:

Ділянка з опором називається плечем порівняння, а ділянки з опорами і – плечами відношення.

Рівновага містка настає тоді, коли відношення опорів попарно взятих плечей, з’єднаних з кінцями відповідної діагоналі містка, дорівнюють одне одному.

Метод вимірювання опорів за допомогою містка Уітстона називається методом порівняння, або нульовим методом. Поділивши почленно останні рівності, дістанемо умову рівноваги містка:

Розрахункова формула для містка матиме вигляд:

.

Правила техніки безпеки:

• при приєднанні приладів до акумулятора використовуйте провідники з непошкодженою ізоляцією;

• не перевертайте акумулятор, щоб не допустити витікання лугу (водний розчин їдкого натру) та запобігти попаданню його на предмети та шкіру;

• не замикати клеми акумулятора між собою.

Запитання для самоконтролю:

1. Чому провідник чинить опір струмові, який по ньому протікає?

2. Що називається питомим опором провідника і від чого він залежить?

3. Поясніть закони струму при паралельному і послідовному з’єднанні провідників і джерел струму.

4. Як збудований і працює лужний акумулятор та які його технічні характеристики?

5. Поясніть принцип роботи магнітоелектричного демонстраційного гальванометра.

6. Як побудований і для чого використовується магазин опорів?

7. В яких одиницях, та якими приладами вимірюється різниця потенціалів та величини струмів в колах?

8. Чому амперметр вмикається в коло послідовно, а вольтметр паралельно?

9. Що таке нульовий метод або метод порівняння?

10. Чим визначається точність вимірювання опорів містком Уітстона?

Література:

1. І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук. Загальна фізика. Електрика і магнетизм. К., 1990.

2. С.Г. Калашников. Электричество. М., 1977.

3. А.В. Кортнев, Ю.В. Рублев, А.Н. Куценко. Практикум по физике. М., 1963.

4. Физический практикум. Под ред. В.И. Ивероновой. М., 1968.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №2

Вивчення законів електролізу.

Мета роботи:

1. Навчитись визначати електрохімічний еквівалент міді та заряд електрона методом електролізу.

2. Вивчити особливості проходження електричного струму через електроліт. З’ясувати суть електролітичної дисоціації.

3. Вивчити, де і для чого використовується електроліз в науці і техніці.

Прилади і матеріали:

Мідні пластини; ваги з рівноважками; випрямляч на 4-6 В; реостат на 10-15 Ом, до 1-2 А; амперметр на 1-2 А; з’єднувальні провідники.

Завдання до лабораторної роботи:

а) при домашній підготовці:

1. Вивчити закон Ома для електролітів. [1,3].

2. Написати в робочий зошит закон Ома в інтегральній та диференціальній формах для електролітів та пояснити його. [3].

3. Описати прилади, необхідні для виконання лабораторної роботи. [2,4]

б) при виконанні роботи:

1. С класти робочу схему за рис.1.

2. Мідний електрод, який буде приєднаний до негативного полюса джерела струму, зважити з найбільшою точністю, попередньо просушивши або промокнувши фільтрувальним папером.

3. Пропустити електричний струм густиною не більше 0,5 А на 1 дм² електрода (визначити площу зануреної в розчин частини електрода). Дослід проводити протягом 20-25 хвилин.

4. Дослід повторити 2-3 рази.

5. Розрахувати електрохімічний еквівалент для міді та визначити заряд електрона.

Теоретичні відомості:

Електроліз – розклад речовин (напр., води, розчинів кислот, лугів, розчинених або розплавлених солей тощо) постійним електричним струмом. При електролізі позитивно заряджені йони (катіони) рухаються до катода, на якому електрохімічно відновлюються. Негативно заряджені йони (аніони) рухаються до анода, де електрохімічно окиснюються. В результаті електролізу на електродах виділяються речовини в кількостях, пропорційних кількості пропущеного струму. Електроліз застосовується для одержання багатьох речовин (металів, водню, хлору та ін.), при гальваностегії (нанесенні металічних покриттів), гальванопластиці (відтворенні форми предметів), а також у хімічному аналізі (полярографія).

Закони Фарадея – основні закони електролізу. Встановлюють взаємозв’язок між кількістю електрики, яка проходить через електропровідний розчин (електроліт), і кількістю речовини, яка виділяється на електродах.

Перший закон: маса m речовини, яка виділилась на електроді під час проходження електричного струму, прямопропорційна значенню q електричного заряду, пропущеного через електроліт,

,

де k – електрохімічний еквівалент речовини, m - маса речовини, q - заряд .

Другий закон: електрохімічні еквіваленти елементів прямо-пропорційні їх хімічним еквівалентам.

,

де A - атомна маса речовини, z - заряд її йона, F - число Фарадея. Частка A/z називається хімічним еквівалентом.

Правила техніки безпеки:

• при приєднанні випрямляча до приладів використовуйте провідники з непошкодженою ізоляцією;

• не допускайте попадання розчину мідного купоросу на стіл та руки;

• не подавайте напругу в коло без попередньої перевірки його викладачем.

Запитання для самоконтролю:

1. Що називається електрохімічним еквівалентом речовини?

2. Поясніть суть електролітичної дисоціації. Хто і коли пояснив це фізичне явище?

3. Що таке електроліз?

4. Сформулюйте і поясніть закони Фарадея для електролізу.

5. Як залежить опір електроліту від температури?

6. Наведіть приклади технічного застосування електролізу.

7. Які ви знаєте способи визначення заряду електрона?

8. Чому в даній роботі використовують постійний струм?

9. Для чого в схемі задіяно реостат?

10. Що називають хімічним еквівалентом?

Література:

1. С.Г. Калашников. Електрика. М., 1977. §189, ст. 407.

2. В.И. Иверонова. Физический практикум. Работа №82, ст. 89.

3. І. М. Кучерук, І.Т. Горбачук. Електрика і магнетизм. К.,1990, §6.1; 6.2; 6.3; 6.6, ст. 154-169.

4. І.Т. Горбачук. Лабораторний практикум. Робота №72, §IV; ст.290.

5. В.П. Дущенко. Фізичний практикум. ч.2, ст. 57

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №3

Вивчення правил Кірхгофа.

Мета роботи:

1. Вивчити правила Кірхгофа для розгалуджених електричних кіл постійного струму.

2. Оволодіти методикою теоретичного розрахунку та експериментального визначення величин постійного струму, спадів напруги та діючих ЕРС в розгалуджених колах постійного струму.

3. Вивчити будову і принцип роботи та особливості експлуатації напівпровідникових випрямлячів низької напруги, вольтметрів, амперметрів та низькоомних реостатів.

Прилади і матеріали:

Амперметри до 2 А – 3 шт.; реостати – 4 шт.; джерела ЕРС: Е₁ до 6-8 В, Е₂=Е₃ на 1,25 - 2,5 В; ключ - рубильник; набір провідників; ключі – 2 шт.; вольтметр для вимірювання ЕРС джерел, які використовуються в цій роботі.

Завдання до лабораторної роботи:

а) при домашній підготовці:

1. Вивчити правила Кірхгофа для розгалуджених кіл постійного струму. Записати правила в зошит та вміти пояснити їх. [1,2]

2. Вивчити будову, принцип дії та призначення джерел живлення, які використані в цій роботі та електровимірювальних приладів і допоміжного обладнання, яке необхідне для її виконання.[1,§ 6.5] Вивчені прилади описати в зошиті. Навчитись розраховувати шунти до амперметрів та додаткові опори до вольтметрів.[3] Зарисувати робочу схему в зошит.

б) при виконанні роботи:

1. Скласти електричну схему за рисунком.

2. Виміряти вольтметром ЕРС джерела Е₁, Е₂, Е₃. Для цього приєднати до указаних джерел вольтметр при розімкненому зовнішньому колі. Оскільки внутрішній опір вольтметра рівний 5 кОм, то його покази будуть наближено рівні ЕРС.

3. Ввести опір реостата R₂повністю, замкнути вимикачі і встановити за допомогою реостата R₁силу струму 0,5-1,5 А. Значення сили струму записати.

4. Виміряти спад напруги на кожному опорі і визначити опір за законом Ома.

5. Скласти рівняння Кірхгофа для незалежних контурів схеми на рисунку. Обчислити струми.

6. Порівняти безпосередньо виміряні струми з одержаними за розрахунками на основі правил Кірхгофа.

7. За показами амперметрів перевірити перше правило Кірхгофа.

Теоретичні відомості:

Правила Кірхгофа визначають метод розрахунку складних розгалужених електричних кіл. Методика розрахунку розроблена Густавом Кірхгофом.

Перше правило Кірхгофа:

Перше встановлює зв'язок між сумою струмів, спрямованих до вузла (місце з’єднання трьох і більше провідників), електричного з'єднання (додатні струми), і сумою струмів, спрямованих від вузла (від'ємні струми). Згідно з цим законом алгебраїчна сума струмів, що збігаються в будь-якій точці розгалуження провідників, дорівнює нулю:

.

Перше правило Кірхгофа є наслідком закону збереження заряду. Для неперервно розподілених струмів у просторі воно відповідає рівнянню неперервності.

Друге правило Кірхгофа:

Для будь-якого замкнутого контура проводів сума електрорушійних сил дорівнює сумі добутків сил струму на кожній ділянці контура на опір ділянки, враховуючи внутрішній опір джерел струму.

Математично друге правило Кірхгофа записується так:

.

Послідовне застосування правил Кірхгофа до усіх вузлів й контурів у складній електротехнічній схемі дозволяє скласти повну систему лінійних рівнянь для визначення сил струму на кожній із ділянок.

Для розрахунку перш за все малюють електротехнічну схему й довільним чином позначають стрілками напрями струмів на кожній ділянці. Потім виділяються замкнуті контури й обходяться в одному довільно вибраному напрямку. Якщо стрілка, яка вказує напрям струму направлена проти обходу, то відповідний добуток струму на опір береться зі знаком мінус.

Якщо при обході переходять від від'ємного полюса джерела струму до додатного, то ЕРС, записується з додатним знаком, якщо навпаки, то з від'ємним.

В результаті отримують систему рівнянь, розв'язуючи яку визначають сили струму. Якщо сила струму вийшла від'ємною, то це значить, що напрям струму на даній ділянці буде протилежним до обраного.

правила техніки безпеки:

– при складанні схеми використовувати провідники з непошкодженою ізоляцією;

– не перевертайте акумулятор, щоб не допустити витікання лугу (водний розчин їдкого натру) та запобігти попаданню його на предмети та шкіру;

– не замикати клеми акумулятора між собою.

Запитання для самоконтролю:

1. Запишіть аналітичні вирази 1-ого та 2-гого правил Кірхгофа та поясніть їх.

2. Як можна виміряти ЕРС джерела?

3. Які правила зарядки лужних та кислотних акумуляторів?

4. Які види постійних і змінних опорів ви знаєте?

5. Які джерела постійного струму ви знаєте? Дайте їм коротку характеристику.

6. В розрахунках величин струму за законами Кірхгофа інколи одержують від’ємні значення для струму. Як це пояснити?

7. Яких систем електровимірювальні прилади придатні для вимірювання величин постійного струму і напруги? Як вони побудовані?

8. Як побудований і працює напівпровідниковий випрямляч?

9. Що означають від’ємні значення струму?

10. Які ви знаєте способи вимірювання ЕРС струму?

Література:

1. І.Н. Кучерук, І.Т. Горбачук. Загальна фізика. Електрика і магнетизм. К., 1990, § 2, 7, ст. 90-93; §6.5, ст.165-167.

2. С.Г. Калашников. Электричество. М., 1977, §70, ст.135.

3. Фізичний практикум за ред. В.П. Дущенко. К., 1984, ст.44-49.

4. І.Т. Горбачук. Лабораторний практикум. §72, ст.280.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 5

Вивчення явища термоелектрорушійної сили в металах і набуття навиків градуювання термопари.

Мета роботи:

Експериментально підтвердити існування явища термоелектрорушійної сили в металах і навчитися градуювати термопару.

Прилади і матеріали:

Термопара, два термометри, магазин опорів, мікроамперметр магнітоелектричної системи, цифровий універсальний вольтметр, з’єднувальні провідники, калориметр з льодом, нагрівник.

Завдання до лабораторної роботи: