УРОК 8/8
Тема. Лабораторная работа № 1 «Определение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока»
Цель урока: экспериментально определить основные характеристики источника постоянного тока - ЭДС и внутреннее сопротивление.
Тип урока: урок контроля и оценивания знаний.
Оборудование: источник постоянного тока, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, соединительные провода.
ХОД РАБОТЫ
1. Соберите электрическую цепь по схеме:
2. Установите ползунок реостата примерно в среднее положение, измерьте силу тока I1 и напряжение U 1 .
4. Вычислите внутреннее сопротивление г и ЭДС источника тока.
5. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу:
U1 , B |
U 2, B |
r , Ом |
|||
6. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получили результат?
7. Для вычисления погрешности воспользуйтесь методом оценки погрешности косвенных измерений и найдите границы rm ах и rm иn , в которых находится истинное значение внутреннего сопротивления:
8. Запишите найденные значения величин в приведенную ниже таблицу.
9. Найдите среднее значение r сe г и абсолютную погрешность измерения Δr по формулам:
10. Определите относительную погрешность измерения:
11. Результаты вычислений запишите в таблицу:
U1max |
U1min |
U2max |
U 2min |
I 1max |
I 1min |
I 2max |
I 2min |
rmax |
rmin |
r сe г |
||
12. Запишите результат в виде r = r сe г Δr , подставив в эту формулу численные значения найденных величин.
Если ученики быстро выполнят лабораторную работу, то в конце урока можно предложить им выполнить самостоятельную работу № 3.
Если же на уроке время на выполнение самостоятельной работы не будет, то ее можно задать на дом.
ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего
профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Отчет по лабораторной работе №5
По дисциплине : Физика
Тема: Энергетика источника тока
Выполнил:
студент АПН – 15 /Якимова А.Н. /
(подпись) (Ф.И.О.)
ПРОВЕРИЛ:
Руководитель: доцент ________________ /Стоянова Т.В. /
кафедры ОТФ (подпись) (Ф.И.О)
(должность)
Санкт-Петербург
Цель работы : 1. Определение внутреннего сопротивления и ЭДС различных источников электроэнергии. 2. Определение режима согласования источника с нагрузкой. 3. Исследование зависимостей полезной и полной мощности, развиваемых источником тока, и его коэффициента полезного действия (КПД) от нагрузочного сопротивления.
Теоретические основы лабораторной работы
Явление, используемое в данной работе- изменение магнитного потока кругового тока в пространстве.
Электрический ток - любое упорядоченное (направленное) движение электрических зарядов.
За направление тока принимается направление, в котором перемещаются положительные носители.
Постоянный ток - ток, сила тока и направление которого не меняются со временем.
Для возникновения и существования электрического тока необходимо, с одной стороны, наличие свободных носителей тока - заряженных частиц, способных перемещаться упорядоченно, с другой - наличие электрического поля, энергия которого, каким-то образом восполняясь, расходовалась бы на их упорядоченное движение.
Для существования постоянного тока необходимо наличие в цепи устройства, способного создавать и поддерживать разность потенциалов за счет работы сил неэлектрического происхождения (сторонних сил). Такие устройства называются источниками тока .
Основной закон, используемый в данной работе - закон Ома . Для однородного участка цепи он выглядит следующим образом:,сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.
Закон Ома для замкнутой цепи:
Сила тока – скалярная физическая величина, определяемая электрическим зарядом, проходящим через поперечное сечение проводника за единицу времени. Это количественная характеристика электрического тока.
Это мгновенное значение силы тока
Сопротивление – величина, характеризующая сопротивление проводника электрическому току. Для однородного линейного проводника длиной l и площадью поперечного сечения S сопротивление равно:
Напряжение – обобщенное понятие разности потенциалов. Физическая величина, определяемая работой, совершаемой суммарным полем электростатических (кулоновских) и сторонних сил при перемещении единичного положительного заряда на данном участке цепи.
U= 1 - 2 + 12 , где( 1 - 2) – разность потенциалов, В. 12 – электродвижущая сила на данном участке цепи, В.
Разность потенциалов – физическая величина, определяемая работой, совершаемой силами поля при перемещении единичного положительного заряда из точки с большим потенциалом в точку с меньшим.
Электродвижущая сила (ЭДС) – физическая величина, определяемая работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда из точки с меньшим потенциалом в точку с большим потенциалом:
Мощностью называется работа, совершаемая в единицу времени:
Мгновенное значение мощности
Для замкнутой цепи мощность равна:
Полезной мощностью называется мощность, выделяемая на внешнем сопротивлении:
Полной мощностью называется сумма мощностей, выделяемых на внешнем и внутреннем сопротивлениях:
Коэффициентом полезного действия источника тока называется отношение полезной мощности к полной:
Полная мощность достигает свое наибольшее значение при R=0 (случай короткого замыкания) и уменьшается при увеличении внешнего сопротивления. Наибольшее значение полезной мощности достигается при R=r.
Схема установки:
- ЭДС источника тока;
V- вольтметр;
А- амперметр;
R-реостат.
Основные расчётные формулы:
1) Электродвижущая сила источника тока (ЭДС)
2) Полезная мощность
3) Полная мощность
4) Коэффициент полезного действия
Погрешности прямых измерений:
Погрешности косвенных измерений:
Абсолютная погрешность ЭДС
- среднеквадратичная
погрешность ЭДС
Абсолютная погрешность внутр. сопротивления
- среднеквадратичная
погрешность внутр. сопротивления
Таблицы результатов измерений и вычислений:
Таблица 1 – Результаты измерений и расчётов параметров нестабилизированного источника электроэнергии.
Лабораторная работа № 8
Тема: « Определение электродвижущей силы и внутреннего сопротивления источника тока ».
Цель: научиться определять электродвижущую силу и внутреннее сопротивление источника электрической энергии.
Оборудование: 1. Амперметр лабораторный;
2. Источник электрической энергии;
3. Соединительные провода,
4. Набор сопротивлений 2 Ом и 4 Ом;
5. Переключатель однополюсный; ключ.
Теория.
Возникновение разности потенциалов на полюсах любого источника является результатом разделения в нем положительных и отрицательных зарядов. Это разделение происходит благодаря работе, совершаемой сторонними силами.
Силы неэлектрического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами .
При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.
Физическая величина, равная отношению работы A ст сторонних сил при перемещении заряда q внутри источника тока к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):
ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда.
Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах [В].
Чтобы измерить ЭДС источника, надо присоединить к нему вольтметр при разомкнутой цепи .
Источник тока является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Это сопротивление называют внутренним сопротивлением источника и обозначают r .
Если цепь разомкнута, то работа сторонних сил превращается в потенциальную энергию источника тока. При замкнутой цепи эта потенциальная энергия расходуется на работу по перемещению зарядов во внешней цепи с сопротивлением R и во внутренней части цепи с сопротивлением r , т.е. ε = IR + Ir .
Если цепь состоит из внешней части сопротивлением R и внутренней сопротивлением r, то, согласно закону сохранения энергии, ЭДС источника будет равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участках цепи, т.к. при перемещении по замкнутой цепи заряд возвращается в исходное положение , где IR – напряжение на внешнем участке цепи, а Ir - напряжение на внутреннем участке цепи.
Таким образом, для участка цепи, содержащего ЭДС:
Эта формула выражает закон Ома для полной цепи : сила тока в полной цепи прямо пропорциональна электродвижущей силе источника и обратно пропорциональна сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи.
ε и r можно определить опытным путем.
Часто источники электрической энергии соединяют между собой для питания цепи. Соединение источников в батарею может быть последовательным и параллельным.
При последовательном соединении два соседних источника соединяются разноименными полюсами.
Т.е., для последовательного соединения аккумуляторов, к ″плюсу″ электрической схемы подключают положительную клемму первого аккумулятора. К его отрицательной клемме подключают положительную клемму второго аккумулятора и т.д. Отрицательную клемму последнего аккумулятора подключают к ″минусу″ электрической схемы.
Получившаяся при последовательном соединении аккумуляторная батарея имеет ту же емкость, что и у одиночного аккумулятора, а напряжение такой аккумуляторной батареи равно сумме напряжений входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые напряжения, то напряжение батареи равно напряжению одного аккумулятора, умноженному на количество аккумуляторов в аккумуляторной батарее.
1. ЭДС батареи равна сумме ЭДС отдельных источников ε= ε 1 + ε 2 + ε 3
2 . Общее сопротивление батареи источников равно сумме внутренних сопротивлений отдельных источников r батареи = r 1 + r 2 + r 3
Если в батарею соединены n одинаковых источников, то ЭДС батареи ε= nε 1, а сопротивление r батареи = nr 1
3.
При параллельном соединении соединяют между собой все положительные и все отрицательные полюсы двух или n источников.
Т.е., при параллельном соединении, аккумуляторы соединяют так, чтобы положительные клеммы всех аккумуляторов были подключены к одной точке электрической схемы (″плюсу″), а отрицательные клеммы всех аккумуляторов были подключены к другой точке схемы (″минусу″).
Параллельно соединяют только источники с одинаковой ЭДС . Получившаяся при параллельном соединении аккумуляторная батарея имеет то же напряжение, что и у одиночного аккумулятора, а емкость такой аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов. Т.е. если аккумуляторы имеют одинаковые емкости, то емкость аккумуляторной батареи равна емкости одного аккумулятора, умноженной на количество аккумуляторов в батарее.
1. ЭДС батареи одинаковых источников равна ЭДС одного источника. ε= ε 1 = ε 2 = ε 3
2.
Сопротивление батареи меньше, чем сопротивление одного источника
r батареи = r 1 /n
3.
Сила тока в такой цепи по закону Ома
Электрическая энергия, накопленная в аккумуляторной батарее равна сумме энергий отдельных аккумуляторов (произведению энергий отдельных аккумуляторов, если аккумуляторы одинаковые), независимо от того, как соединены аккумуляторы - параллельно или последовательно.
Внутреннее сопротивление аккумуляторов, изготовленных по одной технологии, примерно обратно пропорционально емкости аккумулятора. Поэтому т.к.при параллельном соединении емкость аккумуляторной батареи равна сумме емкостей входящих в нее аккумуляторов, т.е увеличивается, то внутреннее сопротивление уменьшается.
Ход работы.
1. Начертите таблицу: 2. Рассмотрите шкалу амперметра и определите цену одного деления.3. Составьте электрическую цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Переключатель поставить в среднее положение.
Рисунок 1.
4. Замкнуть цепь, введя меньшее сопротивление R 1 1 . Разомкнуть цепь.
5. Замкнуть цепь, введя большее сопротивление R 2 . Записать величину силы тока I 2 . Разомкнуть цепь.
6. Вычислить значение ЭДС и внутреннего сопротивления источника электрической энергии.
Закон Ома для полной цепи для каждого случая: и
Отсюда получим формулы для вычисления ε и r:
7. Результаты всех измерений и вычислений запишите в таблицу.
8. Сделайте вывод.
9. Ответьте на контрольные вопросы.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Раскройте физический смысл понятия «электродвижущая сила источника тока».
2. Определить сопротивление внешнего участка цепи, пользуясь результатами полученных измерений и законом Ома для полной цепи.
3. Объяснить, почему внутреннее сопротивление возрастает при последовательном соединении аккумуляторов и уменьшается при параллельном в сравнении с сопротивлением r 0 одного аккумулятора.
4. В каком случае вольтметр, включенный на зажимы генератора, показывает ЭДС генератора и в каком случае напряжение на концах внешнего участка цепи? Можно ли это напряжение считать также и напряжением на концах внутреннего участка цепи?
Вариант выполнения измерений.
Опыт 1. Сопротивление R 1 =2 Ом, сила тока I 1 =1,3 А.
Сопротивление R 2 =4 Ом, сила тока I 2 =0,7 А.
