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 |
Напряжение |
Промежуток |
Мощность тока |
Работа тока |
большая лампа |
1,41 |
6,85 |
30,00 |
7,81 |
234,27 |
маленькая лампа |
0,45 |
9,72 |
30,00 |
4,37 |
131,22 |