Использование цифровой лаборатории Relab при изучении темы «Работа и мощность электрического тока» в курсе физики 8-го класса

Разделы: Физика

Класс: 8


Измерение физических величин является одним из способов познания окружающего нас мира и основным средством контроля различных технологических процессов.

Развитие науки и техники ускорило рост роли и объёма измерительной техники. Велико значение измерений при исследовании, производстве, настройки и эксплуатации различных радиоэлектронных приборов, устройств и систем. Измерение параметров элементов электрических цепей относятся к важнейшим измерениям, с которыми часто приходится встречаться на практике.

В настоящее время известен ряд методов измерения этих величин. Выбор метода измерения и измерительной аппаратуры, при конкретном измерении, зависит от многих условий: вида измерения, его значений, требуемой точности измерения.

В современном обществе широкое распространение получили информационные технологии: мобильная связь, цифровое телевидение, диагностические и измерительные приборы, обработка изображений. Применение компьютера как измерительного инструмента, позволяет проводить физические исследования с широким спектром цифровых датчиков для сбора и анализа полученных данных, расширяя границы школьного физического эксперимента.

Возникает вопрос: как можно модернизировать традиционные опыты по измерению работы и мощности электрического тока с помощью компьютерных технологий для повышения точности и наглядности эксперимента?

Измерение работы и мощности осуществляется в цепях постоянного и переменного токов низкой, высокой частоты, а также в импульсных цепях различной измерительной, электротехнической, радиоприемной и передающей аппаратуры [2, 4].

Методы измерения существенно отличаются друг от друга в зависимости от параметров цепи, в которой производится измерение работы и мощности, предела изменения и частотного диапазона.

В цепях постоянного тока работа А = I·U·t = Р·t, мощность потребления нагрузки определяется произведением тока в нагрузке и падения напряжения на ней: Р = U·I = I2·R.

В цепях переменного тока мгновенное значение мощности потребления: p(t) = u(t)·i(t) [1].

Приборы, предназначенные для измерения мощности на высоких и сверхвысоких частотах, бывают двух типов: поглощающие измерители мощности, содержащие собственную нагрузку, и измерительные линии, в которых нагрузка располагается на некотором расстоянии. Поглощающие приборы более точны и обычно включают в себя 50-омную нагрузку для работы на высоких частотах [3].

В литературе рассмотрен вопрос об измерении мощности электрического тока ваттметром, содержащим две катушки: последовательную (подвижную, токовую), которая включается последовательно с нагрузкой на участке цепи и параллельную (неподвижную, катушку напряжения), которая включается параллельно нагрузке. Раскрыт принцип работы ваттметра, основанный на взаимодействии двух магнитных потоков [3]. В литературе подробно рассмотрен вопрос об измерении работы переменного электрического тока счётчиком электроэнергии. В школьном учебнике физики для 8 класса описан способ определения мощности электрического тока с помощью амперметра и вольтметра, а также способ определения работы электрического тока с помощью амперметра, вольтметра и часов.

Приведём серию опытов, позволяющих наглядно, быстро и с большой точностью измерить работу и мощность постоянного электрического тока с использованием датчиков тока и напряжения цифровой лаборатории Relab.

Тема исследования: «Измерение работы и мощности электрического тока с использованием цифровой лаборатории Relab».

Объект исследования: постоянный электрический ток.

Предмет исследования: работа и мощность тока.

Цель исследования: измерение работы и мощности постоянного электрического тока с помощью датчиков тока и напряжения цифровой лаборатории Relab.

Задачи исследования:

  • подбор литературы по выбранной проблеме;
  • изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;
  • измерение работы и мощности электрического тока с помощью датчиков тока и напряжения;
  • обработка и анализ полученных материалов.

Список необходимого оборудования, представлен в таблице 1.

Таблица 1. Оборудование, используемое в ходе исследования

Название приборов и материалов

Количество

1

Мультидатчик ФИЗ-1 (с датчиком тока и напряжения)

1

2

USB кабель

1

3

Ноутбук Lenovo

1

4

Батарея гальванических элементов «Космос» (U = 4,5 В)

3

5

Ключ

1

6

Реостат (0÷6 Ом)

1

7

Электрическая лампа (U = 12В)

1

8

Электрическая лампа (U = 6, 3В)

1

9

Резистор (R = 1 Ом)

1

10

Резистор (R = 2Ом)

1

11

Резистор (R = 3Ом)

1

12

Фотоаппарат цифровой

1

Порядок проведения эксперимента

1. Измерение мощности и работы постоянного электрического тока с помощью датчиков тока и напряжения в электрических лампах

  • Для увеличения напряжения в электрической цепи, в качестве источника тока используется батарея гальванических элементов, напряжением 13,5 В, состоящая из трёх последовательно соединённых батарей гальванических элементов, напряжением 4,5 В каждая.
  • В один разъём мультидатчика ФИЗ-1 подключаются щупы датчика тока. В другой разъём мультидатчика ФИЗ-1 подключаются щупы датчика напряжения. Датчики тока и напряжения подключаются к USB разъёму ноутбука Lenovo.
  • Сначала собирается электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых источника тока, большой электрической лампы на 12 В (рис. 1), ключа, датчика тока. Датчик напряжения подключается параллельно лампе.

Внешний вид большой лампы

Рис. 1

  • Замыкается ключ (рис. 2). Запускается программа измерений Relab Lite. Устанавливается связка датчиков тока и напряжения, и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 30 с (рис. 3).

Электрическая цепь с большой лампой

Рис. 2

Измерение силы тока в большой лампе и напряжения на её концах

Рис. 3

  • По формуле Р = I·U определяется мощность электрического тока в лампе.
  • По формуле А = I·U·t определяется работа электрического тока в лампе.
  • Затем собирается электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых источника тока, маленькой электрической лампы на 6,3 В (рис. 4), реостата, ключа, датчика тока. Датчик напряжения подключается параллельно лампе.

Внешний вид маленькой лампы

Рис. 4

Замыкается ключ (рис. 5). Запускается программа измерений Relab Lite. Устанавливается связка датчиков тока и напряжения, и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 30 с (рис. 6).

Электрическая цепь с маленькой лампой

Рис. 5

Измерение силы тока в маленькой лампе и напряжения на её концах

Рис. 6

  • По формуле Р = I·U определяется мощность электрического тока в лампе.
  • По формуле А = I·U·t определяется работа электрического тока в лампе.
  • Полученные данные подвергаются анализу.

2. Измерение мощности и работы постоянного электрического тока с помощью датчиков тока и напряжения в проволочных резисторах

  • Собирается электрическая цепь, состоящая из последовательно соединённых источника тока, резистора сопротивлением 1 Ом (рис. 7), ключа, датчика тока. Датчик напряжения подключается параллельно резистору.

Внешний вид резистора R = 1 Ом

Рис. 7

  • Замыкается ключ (рис. 8). Запускается программа измерений Relab Lite. Устанавливается связка датчиков тока и напряжения, и запускается сбор данных кнопкой «Пуск» в течение 30 с (рис. 9).

Электрическая цепь с резистором R = 1 Ом

Рис. 8

Измерение силы тока в резисторе R = 1 Ом и напряжения на его концах

Рис. 9

  • По формуле Р = I·U определяется мощность электрического тока в резисторе.
  • По формуле А = I·U·t определяется работа электрического тока в резисторе.
  • Аналогично собираются электрические цепи с резистором сопротивлением 2 Ом (рис. 10, рис. 11) и с резистором сопротивлением 3 Ом (рис. 12, рис. 13).

Внешний вид резистора R = 2 Ом

Рис. 10

Измерение силы тока в резисторе R = 2 Ом и напряжения на его концах

Рис. 11

Внешний вид резистора R = 3 Ом

Рис. 12

Измерение силы тока в резисторе R = 2 Ом и напряжения на его концах

Рис. 13

Обобщаются результаты эксперимента:

Во-первых, сила тока в маленькой лампе в 3,1 раза меньше силы тока в большой лампе, что связано с подключением реостата в цепь с маленькой лампой. Напряжение на маленькой лампе в 1,4 раза больше, чем на большой лампе (рис. 14, рис. 15). Мощность электрического тока в большой лампе в 1,8 раза больше мощности электрического тока в маленькой лампе (табл. 2, рис. 16). Работа электрического тока в большой лампе в 1,8 раза больше работы электрического тока в маленькой лампе (табл. 3, рис. 17).

Показания датчиков тока и напряжения, подключенных к большой лампе

Рис. 14

Показания датчиков тока и напряжения, подключенных к маленькой лампе

Рис. 15

Таблица 2. Расчёт мощности и работы тока в электрических лампах

Название потребителя

Сила тока
I, А

Напряжение
U, В

Промежуток
времени
t, с

Мощность тока
P = I·U, Вт

Работа тока
A = I·U·t, Дж

большая лампа

1,41

6,85

30,00

7,81

234,27

маленькая лампа

0,45

9,72

30,00

4,37

131,22

См. продолжение статьи