Работа №1.
Тема: «Измерение электроёмкости конденсатора с помощью гальванометра».
Оборудование:
- набор конденсаторов ( );
- конденсатор неизвестной ёмкости;
- микроамперметр на 100 мкА, м-24;
- источник электропитания;
- переключатель однополюсный;
- комплект проводов соединительных.
Содержание и метод выполнения работы:
Повторите: «Физика-10».
Если заряжать конденсатор постоянной ёмкости
от одного и того же источника постоянного
напряжения, а затем разряжать его через
гальванометр, то стрелка прибора всякий раз
будет отбрасываться по шкале на одно и то же
число делений. При конденсаторах другой ёмкости
отброс стрелки гальванометра будет иным. Имея
конденсаторы известной ёмкости (эталоны), можно
на опыте убедиться, что ёмкость конденсатора С
прямо пропорциональна числу делений n,
на которое отбрасывается стрелка гальванометра:
С = k · n.
Отсюда легко определить коэффициент
пропорциональности: k = С/n, выражающий
собой электроёмкость, соответствующую одному
делению. Зная коэффициент, можно по отбросу
стрелки гальванометра определить ёмкость любого
другого конденсатора, повторив с ним описанный
опыт.
Порядок выполнения работы:
1. Подготовьте таблицу для записи результатов измерений и вычислений:
№ опыта | Ёмкость конденсатора, С |
Число делений по шкале гальванометра, n |
Коэффициент пропорциональности, k = С/n |
Среднее значение коэффициента, kср |
мкФ |
мкФ/дел |
мкФ/дел |
||
1. | ||||
2. | ||||
3. | ||||
4. |
2. Составьте электрическую цепь по схеме, изображённой на рис. 1, включив в неё источник постоянного тока, конденсатор известной ёмкости, гальванометр и однополюсный переключатель.
3. Зарядите конденсатор. Для этого соедините его на короткое время с источником тока. Затем, сосредоточив внимание на стрелке прибора, быстро переключите конденсатор на гальванометр и заметьте по шкале максимальное отклонение (отброс) стрелки, отсчитывая на глаз десятые доли деления. Опыт повторите несколько раз, чтобы точнее заметить показание стрелки, и вычислите коэффициент пропорциональности k.
4. Выполните опыт с конденсатором другой ёмкости и по полученным данным вычислите среднее значение kср. Результаты измерений и вычислений занесите в таблицу.
5. В электрическую цепь вместо конденсатора-эталона включите конденсатор неизвестной ёмкости Сх и определите, на сколько делений nх отклоняется стрелка измерительного прибора в этом случае. Зная коэффициент пропорциональности kср, вычислите Сх : Сх = kср · nх.
Дополнительное задание:
1. Два конденсатора известной ёмкости включите в цепь сначала параллельно, а затем последовательно и определите в том и другом случае их общую ёмкость описанным выше способом. В отчёте приведите схемы собранных вами цепей и полученные результаты измерений.
2. Вычислите по известным вам формулам общую ёмкость конденсаторов при параллельном и последовательном соединениях и сравните результаты с теми, которые были получены на опыте.
Контрольные вопросы:
1. Как надо подбирать предел измерения
микроамперметра, чтобы не повредить прибор?
2. Каков физический смысл коэффициента
пропорциональности k?
Содержание отчёта:
- Тема выполненной работы, автор выполнения работы, использованное оборудование.
- Схема электрической цепи, таблица с результатами измерений и вычислений.
- Результаты выполнения дополнительного задания.
- Ответы на контрольные вопросы.
- Решение одной из задач:
1) Две прямоугольные пластины длины ℓ и площади S расположены параллельно друг другу на расстоянии d. Пластины заряжены до разности потенциалов U. В пространство между пластинами втягивается диэлектрик с диэлектрической проницаемостью ε. Толщина диэлектрика равна d, его ширина равна ширине пластин, а длина больше ℓ (рис.2). Найти зависимость силы, действующей на диэлектрик со стороны поля, от расстояния х.
2) Решите предыдущую задачу для случая, когда разность потенциалов между пластинами поддерживается постоянной и равной U.
* Отчёт каждый пишет самостоятельно, решая разные задачи.
«Сборник задач по элементарной физике» пособие для самообразования/ Буховцев Б.Б., Кривченков В.Д., Мякишев Г.Я., Сараева И.М., № 476, 477 стр.93.
Работа №2.
Тема: «Определение заряда электрона с помощью электролиза».
Цель работы: определение элементарного заряда с помощью электролиза.
Оборудование:
- весы с гирями;
- амперметр;
- часы с секундной стрелкой;
- спиртовка или плитка (для сушки электродов);
- источник питания,
- реостат;
- ключ замыкания тока;
- электроды медные с держателем;
- провода соединительные;
- стакан стеклянный;
- раствор медного купороса.
Содержание и метод выполнения работы:
Повторите: «Физика-10»(Электрический ток в
электролитах, электролиз, законы Фарадея для
электролиза).
В начале работы взвешивают одну из медных
пластин, которая будет служить катодом, с
максимально возможной точностью, отметив её
знаком « – » или заметив её номер, если пластины
пронумерованы. После этого собирают
электрическую цепь, соединяя последовательно
источник питания, амперметр, реостат, медный
вольтаметр и ключ. Затем, заметив время, замыкают
цепь, быстро устанавливают реостатом силу тока
около 1,5 А и следят, чтобы в продолжение всего
опыта сила тока оставалась постоянной.
Через 10-15 минут цепь выключают, вынимают
пластину, служившую в опыте катодом, и, не касаясь
руками отложившегося слоя меди, осторожно
ополаскивают её водой и высушивают над пламенем
спиртовки или над плиткой. Снова тщательно
взвешивают пластину и определяют массу
выделившейся меди.
Нам известна постоянная Авогадро NА =
6,02·1023 моль–1, определяющая
число атомов в одном грамм-атоме любого вещества.
Зная атомный вес меди А = 63,5 и её
валентность n = 2 в данном соединении,
вычисляют заряд электрона из следующего
выражения:
.
Анализируя это выражение по частям, можно
показать, что I · t/m – количество
электричества, переносимое 1 граммом меди (если m
выражено в граммах). Умножив это число на А
граммов и разделив на NА, находим заряд,
переносимый каждым ионом меди. Учитывая, что этот
заряд принадлежит n электронам, делим его на n и
находим абсолютный заряд электрона. (Можно было
использовать массу иона меди mi = А/NА
= 105 · 10–27 кг.)
Валентность – это точное число, а относительная
погрешность атомного веса и постоянной Авогадро
очень мала по сравнению с остальными, поэтому
относительную погрешность полученного
результата можно считать равной: . Максимальная
абсолютная погрешность равна: Δе = εе
· е.
Дополнительное задание:
Вычислите электрохимический эквивалент меди по формуле k = m/(I · t) и рассчитайте максимальную абсолютную погрешность этой величины.
Содержание отчёта:
- Тема выполненной работы, автор выполнения работы, цель работы, использованное оборудование;
- Схема установки;
- Таблица с результатами измерений и вычислений;
- Расчет погрешностей измерений и запись результатов эксперимента в следующем виде: е = епр ± Δе, k = kпр ± Δk.
- Выводы по работе (сравнение с табличными величинами);
- Решение одной из задач:
1) При электролизе воды через электролитическую
ванну в течение времени τ = 25 мин шёл ток р
= 20 А. Какова температура t
выделившегося кислорода, если он находится в
объёме V = 1 л под давлением р = 0,2 МПа?
2) Две электролитические ванны включены
последовательно. В первой ванне находится
раствор хлористого железа (FеСl2), во второй –
раствор хлорного железа (FеСl3). Найти массы
выделившегося железа на катодах и хлора на
анодах в каждой ванне при прохождении через
ванну заряда q = 9,65 · 107 Кл. Молярные
массы железа и хлора μж = 55,85 · 10–3
кг/моль и μх = 35,357 · 10–3
кг/моль.
* Отчёт каждый пишет самостоятельно, решая разные задачи.
Г.А. Бендриков, Б.Б. Буховцев и др. «Физика. Задачи для поступающих в ВУЗы».(для углублённого изучения, т.4, стр.149-150, № 876,882).
Работа №3.
Тема: «Измерение КПД электродвигателя»
Цель работы: оценить эффективность преобразования электродвигателем электрической энергии в механическую.
Оборудование:
- весы с разновесами;
- амперметр;
- вольтметр;
- часы с секундной стрелкой или секундомер;
- электродвигатель постоянного тока;
- источник питания,
- реостат;
- измерительная лента;
- ключ замыкания тока;
- нить с петлями на концах;
- провода соединительные;
- металлический планшет;
- груз с крючком.
Ход работы:
1. Зарисуйте в тетрадь электрическую схему
установки, изображённой на рисунке 3;
2. Подготовьте таблицу для записи результатов
измерений и вычислений;
m |
h1 |
h2 |
h |
Ап |
I |
U |
t |
Аз |
η |
кг |
м |
м |
м |
Дж |
А |
В |
с |
Дж |
% |
3. Соберите установку, как показано на рисунке.
Электродвигатель установите у кромки
металлического планшета. Планшет разместите на
рабочем столе так, чтобы вал двигателя выступал
на 1-2 см за край стола;
4. Измерьте массу груза m;
5. Отрегулируйте длину нити так, чтобы груз,
подвешенный к валу двигателя, находился на
высоте 2-3 см от пола;
6. Проведите несколько пробных пусков. С помощью
переменного сопротивления установите такой
режим работы двигателя, при котором груз
поднимался бы равномерно и с минимальной
скоростью;
7. Измерьте высоту центра груза в нижнем
положении h1 ;
8. Измерьте высоту центра груза при полностью
намотанной нити h2;
9. Вычислите высоту, на которую будет поднят груз
с помощью двигателя h = h2 – h1;
10. Включите двигатель и определите величину силы
тока, который протекает в двигателе при подъёме
груза I;
11. Включите двигатель и определите величину
напряжения, приложенного к двигателю при подъёме
груза U;
12. Включите двигатель и определите время t
подъёма груза из нижней точки в верхнюю;
13. По данным измерений вычислите полезную работу,
совершённую двигателем при подъёме груза: Ап
= m · g · h, где g = 9,8 м/с2, а также
работу, затраченную двигателем на подъём
груза Аз = I · U · t;
14. Вычислите коэффициент полезного действия
электродвигателя: η = Ап/ Аз · 100 %.
Дополнительное задание: Оцените погрешность полученного результата, проделав и показав все необходимые вычисления.
Работа №4.
Тема: «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока графическим методом».
Цель работы: изучить метод измерения ЭДС, внутреннего сопротивления и тока короткого замыкания источника тока, основанный на анализе графика зависимости напряжения на выходе источника от силы тока в цепи.
Оборудование:
- источник тока;
- амперметр;
- вольтметр;
- резистор R1;
- реостат;
- ключ;
- соединительные провода.
Теория работы:
Из закона Ома для полной цепи следует, что
напряжение на выходе источника тока зависит
прямо пропорционально от силы тока в цепи: так
как I = E/(R + r), то I · R + I · r = E, но I
· R = U, откуда U + I · r = E или U = E
– I · r (1).
Если построить график зависимости U от I, то по его
точкам пересечения с осями координат можно
определить Е, Iк.з.- силу тока короткого замыкания
(ток, который течёт в цепи источника, когда
внешнее сопротивление R станет равным нулю).
ЭДС определяют по точке пересечения графика с
осью напряжений. Эта точка графика соответствует
состоянию цепи, при котором ток в ней отсутствует
и, следовательно, U = E.
Силу тока короткого замыкания определяют по
точке пересечения графика с осью токов. В этом
случае внешнее сопротивление R = 0 и,
следовательно, напряжение на выходе источника U =
0.
Внутреннее сопротивление источника находят по
тангенсу угла наклона графика относительно оси
токов. (Сравните формулу (1) с математической
функцией вида y = Ax + B и вспомните смысл
коэффициента при х).
Ход работы:
1. Исходя из перечня оборудования, рекомендованного для выполнения работы, составьте схему электрической цепи для исследования зависимости напряжения на выходе источника тока от силы тока в цепи. Схему начертите в тетради, указав полюса источника тока и направление тока в цепи.
2. Для записи результатов измерений подготовьте таблицу:
U | В | ||||||||||
I | А |
3. После проверки схемы преподавателем соберите
электрическую цепь. Ползунок переменного
резистора установите в положение, при котором
сопротивление цепи, подключённой к источнику
тока, будет максимальным.
4. Определите значение силы тока в цепи и
напряжение на зажимах источника при
максимальной величине сопротивления
переменного резистора. Данные измерений
занесите в таблицу.
5. Повторите несколько раз измерения силы тока и
напряжения, уменьшая всякий раз величину
переменного сопротивления, чтобы напряжение на
зажимах источника уменьшалось на 0,1 В. Измерения
прекратите, когда сила тока в цепи достигнет
значения в 1 А.
6. Нанесите полученные в эксперименте точки на
график. Напряжение откладывайте по вертикальной
оси, а силу тока – по горизонтальной.
Проведите по точкам прямую линию.
7. Продолжите график до пересечения с осями
координат и определите величины Е и Iк.з.
8. Измерьте ЭДС источника, подключив вольтметр к
его выводам при разомкнутой внешней цепи.
Сравните значения ЭДС, полученные двумя
способами, и укажите причину возможного
расхождения результатов.
9. Определите внутреннее сопротивление источника
тока. Для этого вычислите тангенс угла наклона
построенного графика к оси токов. Так как тангенс
угла в прямоугольном треугольнике равен
отношению противолежащего катета к прилежащему,
то практически это можно сделать, найдя
отношение Е/ Iк.з.
Решить задачи по вариантам:
1 вариант: Конденсаторы, электрическая ёмкость которых С1 = 4 мкФ и С2 = 8мкФ, заряжают до напряжения 3 В каждый, а затем «плюс» одного из них подключают к «минусу» другого и соединяют свободные выводы резистором сопротивлением 1000 Ом. Какое количество теплоты выделится в резисторе?
2 вариант: Два длинных тонких проводника одинаковой длины, но разного сечения соединены последовательно. Радиус окружности в сечении первого проводника равен r1, второго – r2. Чему равно отношение напряжённостей электрических полей в первом и втором проводниках Е1/Е2 при подключении их к источнику постоянного тока, если оба проводника сделаны из одинакового материала?
«ЕГЭ 2009. Физика. Сборник заданий ФИПИ» стр.97 С4, стр.101 С1.
Работа №5.
Тема: «Изучение вращательного движения».
Цель работы: рассчитать время скатывания шара по наклонной плоскости или по наклонному жёлобу и сравнить его со временем, определённым экспериментально.
Оборудование:
- штатив;
- наклонная поверхность;
- металлический жёлоб
- шар;
- линейка;
- секундомер или часы с секундной стрелкой.
Теория работы и её выполнение:
Часть 1: Запишем закон сохранения энергии для шара, скатывающегося по наклонной плоскости с высоты h: m · g · h = m · v2/2 + J · ω2/2, где m – масса шара, v - его конечная скорость, J – момент инерции шара, ω – конечная угловая скорость. Учтя, что J = 0,4 · m · R2, ω = v/R, где R – радиус шара, получим: m · g · h = m · v2/2 + 0,4 · m · R2 · v2/(2 · R2), m · g · h = 0,7 · m · v2. Откуда v = √(g · h/0,7).
Время скатывания t1 рассчитаем из выражения L = vср · t1 = v · t1/2; t1 = 2 · L/v = 2 · L · √(0,7/(g · h)).
Теперь можно выполнить расчёт времени t1 скатывания шара для значений h и L, соответствующих экспериментальной установке, подготовленной к проведению опыта (рис. 1). Затем поставим шар на наклонную плоскость на высоте h от поверхности стола, отпустим его и измерим время t2 скатывания экспериментально. Повторим опыт 10 раз и полученные результаты запишем в представленную таблицу №1:
Таблица №1
№ | Время скатывания t1 (теоретическое значение) | Время скатывания t2 (экспериментальное значение) | Среднее время скатывания t2ср |
t2 – t2ср | (t2 – t2ср)2 | ∆tкв = σ | ∆tсред |
с | с | с | с | с2 | с | с | |
При обработке результатов измерений из N опытов
в теории погрешностей рассчитывается
стандартное отклонение σ = √(∑(t2i – t2 ср)2/N). При конечном числе N
измерений вычисляется среднее квадратичное
отклонение ∆tкв, примерно равное стандартному
отклонению σ, а граница случайных
погрешностей принимается примерно равной 3 · σ. В теории случайных погрешностей
доказывается, что граница случайной погрешности
среднего арифметического, полученного в серии из
N опытов, в √N раз меньше границы случайной
погрешности ∆tслуч. каждого опыта серии: ∆tсред
= ∆tслуч/√N = 3 · ∆tкв/√N. Это
соотношение имеет фундаментальное значение в
теории и практике измерений. Оно подтверждает
принципиальную возможность уменьшения
случайных погрешностей при увеличении числа
опытов. Однако следует иметь в виду, что
уменьшение погрешности обратно пропорционально
√N, то есть происходит сравнительно медленно. При
увеличении числа опытов в серии, например, в 100
раз случайная погрешность среднего уменьшится
всего в 10 раз. Правильная организация измерений
требует выбрать такое число опытов N, чтобы
случайными погрешностями можно было пренебречь
по сравнению с инструментальными.
Запишите окончательный результат первой части
измерений в виде: t2 = t2 ср ±
∆tсред и сделайте вывод, сравнив его с
теоретическим значением времени скатывания t1.
Часть 2: Задание второй части выполняется аналогично заданию первой части. Отличие заключается в том, что в формуле угловой скорости вместо радиуса шара R следует использовать расстояние r (рис. 2).
Из рисунка видно, что r2 + r2 = R2,
откуда r = R/√2. Следовательно, ω = v · √2/R.
Согласно закону сохранения энергии запишем: m
· g · h = m · v2/2 + 0,4 · m · R2 · 2 · v2/(2 · R2),
откуда следует m · g · h = 0,9 · m · v2, v
= √(g · h/0,9).
Время скатывания шара по наклонному жёлобу равно
t1 = 2 · L/v = 2 · L · √(0,9/(g · h)).
Провести серию измерений, заполнить таблицу №2, аналогичную таблице №1, рассчитать погрешность измерений, записать окончательный результат второй части и сделать вывод.
Решить задачи по вариантам:
1 вариант: Сплошной маховик массой 20 кг и радиусом 120 мм вращается, совершая 600 об/мин. С какой силой нужно прижать к нему тормозную колодку, чтобы он остановился за 3 с, если коэффициент трения равен 0,1?
2 вариант: На общем валу закреплены маховик с моментом инерции 0,86 кг·м2 и цилиндр радиусом 5 см, массой которого можно пренебречь (рис. 3). На цилиндр намотана нить, к которой подвешена гиря массой 6 кг. За какое время гиря опустится на 1 м? Какова будет её конечная скорость? Начальную скорость считать равной нулю.
(А. А. Пинский «Задачи по физике», стр. 35, №14.15 и №14.16)