Лабораторна робота з фізики визначення електрорушійної сили

УРОК 8/8

Тема. Лабораторна робота № 1 «Визначення ЕРС та внутрішнього опору джерела струму»

Мета уроку: експериментально визначити основні характеристики джерела постійного струму- ЕРС та внутрішній опір.

Тип уроку: урок контролю та оцінювання знань.

Обладнання: джерело постійного струму, амперметр, вольтметр, реостат, ключ, з'єднувальні дроти.

ХІД РОБОТИ

1. Зберіть електричний ланцюгза схемою:

2. Встановіть повзунок реостата приблизно в середнє положення, виміряйте силу струму I1 та напругу U 1 .

4. Обчисліть внутрішній опір г та ЕРС джерела струму.

5. Результати вимірювань та обчислень запишіть у таблицю:

		U1, B	U 2, B	r , Ом

6. Запишіть висновок: що ви вимірювали і який результат?

7. Для обчислення похибки скористайтеся методом оцінки похибки непрямих вимірювань і знайдіть межі rm ах та rm іn , у яких знаходиться справжнє значеннявнутрішнього опору:

8. Запишіть знайдені значення величин у наведеній нижче таблиці.

9. Знайдіть середнє значення r сe г та абсолютну похибку вимірювання Δr за формулами:

10. Визначте відносну похибку виміру:

11. Результати обчислень запишіть у таблицю:

U1max	U1min	U2max	U 2min	I 1max	I 1min	I 2max	I 2min

rmax	rmin	r сe г

12. Запишіть результат у вигляді r = r сe г Δr , підставивши в цю формулу чисельні значення знайдених величин.

Якщо учні швидко виконають лабораторну роботу, то наприкінці уроку можна запропонувати виконати самостійну роботу № 3.

Якщо ж на уроці час на виконання самостійної роботине буде, то її можна задати додому.

Лабораторна робота №8

Тема: «Визначення електрорушійної силита внутрішнього опору джерела струму».

Ціль:навчитися визначати електрорушійну силу та внутрішній опір джерела електричної енергії.

Обладнання: 1. Амперметр лабораторний;

2. Джерело електричної енергії;

3. З'єднувальні дроти,

4. Набір опорів 2 Ом та 4 Ом;

5. Перемикач однополюсний; ключ.

Теорія.

Виникнення різниці потенціалів на полюсах будь-якого джерела є результатом поділу у ньому позитивних та негативних зарядів. Цей поділ відбувається завдяки роботі, що здійснюється сторонніми силами.

Сили неелектричного походження, що діють на вільні носії заряду з боку джерел струму, називаються сторонніми силами.

При переміщенні електричних зарядівпо ланцюзі постійного струму сторонні сили, що діють усередині джерел струму, виконують роботу.

Фізична величина, що дорівнює відношенню роботи A ст сторонніх сил при переміщенні заряду q всередині джерела струму до величини цього заряду, називається електрорушійною силоюджерела (ЕРС):

ЕРС визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду.

Електрорушійна сила, як і різниця потенціалів, вимірюється в вольтах[В].

Щоб виміряти ЕРСджерела, треба приєднатидо нього вольтметр при розімкнутому ланцюгу.

Джерело струму є провідником і має певний опір, тому струм виділяє у ньому тепло. Цей опір називають внутрішнім опором джерелаі позначають r.

Якщо ланцюг розімкнуто, то робота сторонніх сил перетворюється на потенційну енергію джерела струму. При замкнутому ланцюгу ця потенційна енергія витрачається на роботу з переміщення зарядів у зовнішнього ланцюгаз опором R у внутрішній частині ланцюга з опором r , тобто. ε = IR + Ir .

Якщо ланцюг складається із зовнішньої частини опором R і внутрішнім опором r, то, згідно із законом збереження енергії, ЕРС джерела дорівнюватиме сумі напруг на зовнішньому і внутрішньому ділянках ланцюга, т.к. при переміщенні замкненим ланцюгом заряд повертається у вихідне положення , де IR- Напруга на зовнішній ділянці ланцюга, а Ir- Напруга на внутрішньому ділянці ланцюга.

Таким чином, для ділянки ланцюга, що містить ЕРС:

Ця формула висловлює закон Ома для повного ланцюга : сила струму у повному ланцюзі прямо пропорційна електрорушійній силі джерела і обернено пропорційна сумі опорів зовнішньої та внутрішньої ділянок ланцюга.

ε та r можна визначити дослідним шляхом.

Часто джерела електричної енергії з'єднують між собою живлення ланцюга. З'єднання джерел батареї може бути послідовним і паралельним.

При послідовному з'єднаннідва сусідні джерела з'єднуються різноіменними полюсами.

Тобто, для послідовного з'єднання акумуляторів до "плюсу" електричної схемипідключають позитивну клему першого акумулятора. До його негативної клеми підключають позитивну клему другого акумулятора і т.д. Негативну клему останнього акумулятора підключають до мінуса електричної схеми.

Акумуляторна батарея, що вийшла при послідовному з'єднанні, має ту ж ємність, що й у одиночного акумулятора, а напруга такої акумуляторної батареї дорівнює сумі напруг входять в неї акумуляторів. Тобто. якщо акумулятори мають однакову напругу, то напруга батареї дорівнює напруги одного акумулятора, помноженого на кількість акумуляторів в акумуляторній батареї.

1. ЕРС батареї дорівнює сумі ЕРС окремих джерелε= ε 1 + ε 2 + ε 3

2 . Загальний опір батареї джерел дорівнює сумі внутрішніх опорів окремих джерел r батареї = r 1 + r 2 + r 3

Якщо батарею з'єднані n однакових джерел, то ЕРС батареї ε= nε 1, а опір r батареї = nr 1

3.

При паралельному з'єднанніз'єднують між собою всі позитивні і всі негативні полюси двох абоn джерел.

Тобто, при паралельному з'єднанні, акумулятори з'єднують так, щоб позитивні клеми всіх акумуляторів були підключені до однієї точки електричної схеми (плюсу), а негативні клеми всіх акумуляторів були підключені до іншої точки схеми (мінусу).

Паралельно з'єднують лише джерелаз однакової ЕРС. Акумуляторна батарея, що вийшла при паралельному з'єднанні, має ту ж напругу, що й у одиночного акумулятора, а ємність такої акумуляторної батареї дорівнює сумі ємностей входять в неї акумуляторів. Тобто. якщо акумулятори мають однакові ємності, ємність акумуляторної батареї дорівнює ємності одного акумулятора, помноженої на кількість акумуляторів в батареї.

1. ЕРС батареї однакових джерел дорівнює ЕРС одного джерела.ε= ε 1 = ε 2 = ε 3

2. Опір батареї менше, ніж опір одного джерела r батареї = r 1 /n
3. Сила струму в такому ланцюгу за законом Ома

Електрична енергія, накопичена в акумуляторній батареї, дорівнює сумі енергій окремих акумуляторів (твору енергій окремих акумуляторів, якщо акумулятори однакові), незалежно від того, як з'єднані акумулятори - паралельно або послідовно.

Внутрішній опір акумуляторів, виготовлених за однією технологією, приблизно обернено пропорційно ємності акумулятора. Тому при паралельному з'єднанні ємність акумуляторної батареї дорівнює сумі ємностей входять в неї акумуляторів, тобто збільшується, то внутрішній опір зменшується.

Хід роботи.

1. Накресліть таблицю:2. Розгляньте шкалу амперметра та визначте ціну одного поділу.
3. Складіть електричний ланцюг за схемою, зображеною на малюнку 1. Перемикач поставити в середнє положення.

Малюнок 1.

4. Замкнути ланцюг, ввівши менший опір R 1 1 . Розімкнути ланцюг.

5. Замкнути ланцюг, ввівши більший опір R 2 . Записати величину сили струму I 2 . Розімкнути ланцюг.

6. Обчислити значення ЕРС та внутрішнього опору джерела електричної енергії.

Закон Ома для повного ланцюга для кожного випадку:і

Звідси отримаємо формули для обчислення ε та r:

7. Результати всіх вимірювань та обчислень запишіть у таблицю.

8. Зробіть висновок.

9. Дайте відповідь на контрольні питання.

КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ.

1. Розкрийте фізичне значення поняття «електрорушійна сила джерела струму».

2. Визначити опір зовнішньої ділянки ланцюга, користуючись результатами отриманих вимірів та законом Ома для повного ланцюга.

3. Поясніть, чому внутрішній опір зростає при послідовному з'єднанні акумуляторів і зменшується при паралельному порівнянні з опіром r 0 одного акумулятора.

4. У якому разі вольтметр, включений на затискачі генератора, показує ЕРС генератора і в якому разі напруга на кінцях зовнішньої ділянки ланцюга? Чи можна цю напругу вважати також напругою на кінцях внутрішньої ділянки ланцюга?

Варіант виконання вимірів.

Досвід 1.Опір R 1 =2 Ом, сила струму I 1 =1,3 А.

Опір R 2 =4 Ом, сила струму I 2 =0,7 А.

ПЕРШИЙ ВИЩИЙ ТЕХНІЧНИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД РОСІЇ

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

федеральна державна бюджетна освітня установа вищої

професійної освіти

«НАЦІОНАЛЬНИЙ МІНЕРАЛЬНО-СИРОВИНИЙ УНІВЕРСИТЕТ «ГІРСЬКИЙ»

Звіт з лабораторної роботи №5

З дисципліни: Фізика

Тема: Енергетика джерела струму

Виконав:

студент АПН – 15 / Якімова О.М. /

(Підпис) (П.І.Б.)

ПЕРЕВІРИВ:

Керівник: доцент ________________ /Стоянова Т.В. /

кафедри ОТФ(Підпис) (П.І.Б.)

(Посада)

Санкт-Петербург

Мета роботи : 1. Визначення внутрішнього опору та ЕРС різних джерел електроенергії. 2. Визначення режиму погодження джерела із навантаженням. 3. Дослідження залежностей корисної та повної потужності, що розвиваються джерелом струму, та його коефіцієнта корисної дії (ККД) від навантажувального опору.

Теоретичні засади лабораторної роботи

Явище, що у цій роботі- зміна магнітного потоку кругового струму у просторі.

Електричний струм - будь-який упорядкований (спрямований) рух електричних зарядів.

За напрям струму приймається напрям, у якому переміщуються позитивні носії.

Постійний струм - Струм, сила струму і напрямок якого не змінюються з часом.

Для виникнення та існування електричного струму необхідно, з одного боку, наявність вільних носіїв струму - заряджених частинок, здатних переміщатися впорядковано, з іншого - наявність електричного поля, енергія якого якимось чином заповнюючись витрачалася б на їх упорядкований рух.

Для існування постійного струму необхідна наявність у ланцюгу пристрою, здатного створювати та підтримувати різницю потенціалів за рахунок роботи сил неелектричного походження (сторонніх сил). Такі пристрої називаються джерелами струму .

Основний закон, який використовується в даній роботі - закон Ома . Для однорідної ділянки ланцюга він виглядає наступним чином: сила струму в провіднику прямо пропорційна прикладеному напрузі і обернено пропорційна опору провідника.

Закон Ома для замкнутого ланцюга:

Сила струму - скалярна фізична величина, Яка визначається електричним зарядом, що проходить через поперечний переріз провідника за одиницю часу Це кількісна характеристика електричного струму.

Це миттєве значеннясили струму

Опір - Величина, що характеризує опір провідника електричного струму. Для однорідного лінійного провідника довжиною l і площею поперечного перерізу S опір дорівнює:

Напруга - Узагальнене поняття різниці потенціалів. Фізична величина, що визначається роботою, що здійснюється сумарним полем електростатичних (кулонівських) та сторонніх сил при переміщенні одиничного позитивного заряду на даній ділянці ланцюга.

U= 1 - 2 + 12 , де( 1 - 2) – різницю потенціалів, В. 12 – електрорушійна сила даній ділянці ланцюга, У.

Різниця потенціалів – фізична величина, яка визначається роботою, що здійснюється силами поля при переміщенні одиничного позитивного заряду з точки з більшим потенціалом у крапку з меншим.

Електрорушійна сила (ЕРС) - фізична величина, що визначається роботою, що здійснюється сторонніми силами при переміщенні одиничного позитивного заряду з точки з меншим потенціалом в точку з великим потенціалом:

Потужністю називається робота, що здійснюється в одиницю часу:

Миттєве значення потужності

Для замкнутого ланцюга потужність дорівнює:

Корисною потужністю називається потужність, що виділяється на зовнішньому опорі:

Повною потужністю називається сума потужностей, що виділяються на зовнішньому та внутрішньому опорах:

Коефіцієнтом корисної дії джерела струму називається відношення корисної потужності до повної:

Повна потужність досягає свого найбільше значенняпри R=0 (випадок короткого замикання) і зменшується зі збільшенням зовнішнього опору. Найбільше значення корисної потужності досягається за R=r.

Схема встановлення:

- ЕРС джерела струму;

V-вольтметр;

А-амперметр;

R-реостат.

Основні розрахункові формули:

1) Електрорушійна сила джерела струму (ЕРС)

2) Корисна потужність

3) Повна потужність

4) Коефіцієнт корисної дії

Похибки прямих вимірів:

Похибки непрямих вимірів:

Абсолютна похибка ЕРС

- середньоквадратична похибка ЕРС

Абсолютна похибка внутр. опору

- Середньоквадратична похибка внутр. опору

Таблиці результатів вимірювань та обчислень:

Таблиця 1 – Результати вимірювань та розрахунків параметрів нестабілізованого джерела електроенергії.