Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.1.1 Запишите формулу для расчета силы тока
1.2 Получите формулу для расчета силы тока
Подумай, как соотносятся сопротивления участков проволоки и их длины, и что происходит с падением напряжения вдоль проволоки при заданном токе.
Запиши законы для последовательного и параллельного соединений и закон Ома; учти, что сопротивление проволоки пропорционально её длине (коэффициент пропорциональности —
- Обозначь сопротивления участков проволоки через их длины (например, для участка длины
и ). - Запиши равенство падений напряжений на параллельных ветвях и связь токов в узле (KCL).
- Подставь выражения сопротивлений через длины и применяй закон Ома к каждому участку, получив уравнение для
и . - Вырази
из полученной системы.
1.2 Из законов параллельного и последовательного соединения проводников можно записать
Из этого выражения следует, что
1.3 Измерьте с помощью мультиметра сопротивление постоянного резистора
Как правильно измеряют сопротивление постоянного резистора мультиметром — в каком режиме и при каких условиях?
Используй мультиметр в режиме измерения сопротивления; учти разрешающую способность прибора и метод оценки погрешности (систематическая и случайная составляющие).
- Переключи мультиметр в режим измерения сопротивления и подключи его к резистору
согласно инструкции прибора. - Сделай несколько последовательных измерений, чтобы оценить разброс показаний.
- Оцени погрешность как сочетание погрешности прибора (разрядность/класс точности) и измерительной статистики.
- Запиши значение
и его погрешность.
1.3 Сопротивление постоянного резистора равно
1.4 Измерьте длины участков проволоки
Каким инструментом и как точно можно измерить длины участков проволоки BC и BD на столе?
Используй линейку; учти погрешность снятия показаний (половина наименьшего деления) и возможные систематические ошибки позиционирования проволоки.
- Разметь концы участков и измерь каждую длину несколькими замерами с разным ориентированием линейки.
- Оцени случайную погрешность по разбросу замеров и систематическую — по разрешению линейки.
- Суммируй погрешности по правилу комбинирования погрешностей и запиши длины с оценками погрешностей.
1.4 Длина участка проволоки равна
1.5 Измерьте зависимости напряжения
1.5 Результаты измерений зависимости напряжения
Таблица 1.
| 0 | 2900 | 0 | 312 | ||
| 5 | 2940 | 100 | 316 | 2,000 | 3,161 |
| 10 | 3010 | 155 | 324 | 1,000 | 2,088 |
| 15 | 3100 | 202 | 333 | 0,667 | 1,650 |
| 20 | 3200 | 235 | 344 | 0,500 | 1,464 |
| 25 | 3310 | 255 | 356 | 0,400 | 1,396 |
| 30 | 3420 | 280 | 368 | 0,333 | 1,313 |
| 35 | 3560 | 310 | 383 | 0,286 | 1,235 |
| 40 | 3710 | 325 | 399 | 0,250 | 1,227 |
| 45 | 3840 | 350 | 413 | 0,222 | 1,180 |
| 50 | 4040 | 375 | 434 | 0,200 | 1,158 |
| 55 | 4230 | 400 | 455 | 0,182 | 1,137 |
| 60 | 4440 | 425 | 477 | 0,167 | 1,123 |
| 65 | 4650 | 450 | 500 | 0,154 | 1,111 |
| 70 | 4910 | 480 | 528 | 0,143 | 1,100 |
| 75 | 5180 | 505 | 557 | 0,133 | 1,103 |
| 80 | 5520 | 545 | 594 | 0,125 | 1,089 |
| 85 | 5930 | 608 | 638 | 0,118 | 1,049 |
| 90 | 6330 | 640 | 681 | 0,111 | 1,064 |
| 95 | 6800 | 685 | 731 | 0,105 | 1,067 |
| 100 | 7200 | 725 | 774 | 0,100 | 1,068 |
Экспериментальный тур.
4
1.6 Постройте график зависимости отношения сил токов
1.7 Выберите такие новый переменные
Постройте график этой линеаризованной зависимости.
1.8 Используя экспериментальные данные, рассчитайте значения параметров
Как по линеаризованным данным получить коэффициенты прямой и их погрешности?
Применяй метод наименьших квадратов для линейной зависимости; используй стандартную формулу для оценки ошибок коэффициентов регрессии.
- По таблице линеаризованных значений вычисли суммы, необходимые для МНК (суммы
, , , ). - Найди параметры прямой
и по формулам МНК. - Оцени стандартные отклонения коэффициентов и погрешности по стандартным выражениям для линейной регрессии.
- Запиши полученные значения
, и их погрешности.
1.8 Коэффициенты линеаризованной зависимости, рассчитанные по МНК, равны
1.9 Используя теоретическую формулу, полученную в п. 1.2, рассчитайте теоретические значения параметров
1.9 Из формулы (6) следует, что теоретические значения этих коэффициентов равны
1.10 Сравните теоретические и экспериментальные значения коэффициентов
На какие источники расхождений между теорией и экспериментом стоит обратить внимание в этой установке?
Сравни экспериментальные и теоретические значения
- Вычисли разности между экспериментальными и теоретическими значениями коэффициентов и их относительные отклонения.
- Перечисли и прокомментируй основные возможные причины расхождений (систематические и случайные ошибки, погрешности приборов, неучтённые сопротивления).
- Оцени, какие из перечисленных причин могут влиять сильнее всего в данной экспериментальной схеме.
- Вырази вывод о согласии теории и эксперимента, опираясь на величины погрешностей.
1.10 Полученные экспериментальные значения достаточно близки к теоретическим.
Основной причиной полученных различий являются:
- погрешности измерений (прежде всего силы тока);
- систематические погрешности, связанные с неучтенными сопротивлениями проводов и
контактов.
Экспериментальный тур.
5
2.1 Измерьте зависимость напряжения от числа подключенных резисторов
Нарисуй схему с подключёнными последовательно резисторами и отметь, каким прибором и при каком числе резисторов будешь измерять напряжение. Подумай, как изменится распределение падений напряжения при подключении или отключении очередного резистора.
Применяй закон Ома и правило деления напряжения для последовательной цепи: падение напряжения на каждом резисторе пропорционально его сопротивлению; используй это при анализе результатов двух видов вольтметров.
- Собери цепь и последовательно измерь напряжение при разных числах подключённых резисторов сначала мультиметром, затем стрелочным вольтметром.
- Запиши полученные значения напряжений для каждого числа резисторов и построй два отдельных графика U(n) — один для мультиметра, другой для стрелочного вольтметра.
- Введи удобную линеаризующую переменную, выражающую число подключённых резисторов через общее количество в цепи, и построй график зависимостей в линеаризованном виде.
- Аппроксимируй полученные точки прямой и выразите (не вычисляя) параметры аппроксимации из полученной системы уравнений.
2.2 Дайте теоретическое объяснение зависимости (т.е. получите формулу, описывающую данную зависимость, сравните ее с результатами измерений), измеренной с помощью цифрового мультиметра.
Как будет делиться напряжение между равными резисторами при незначительном токе в цепи и большом входном сопротивлении вольтметра?
Предположи, что входное сопротивление мультиметра бесконечен, тогда напряжение делится пропорционально числу резисторов; выпиши теоретическую формулу для мультиметра в общем виде.
- Обозначь общее напряжение источника
и число подключенных резисторов . - Запиши теоретическое выражение для
при условии бесконечного сопротивления вольтметра. - Сравни полученную теоретическую зависимость с экспериментальными точками мультиметра и прокомментируй совпадение.
2.2 Собственное сопротивление мультиметра значительно превышает сопротивления резисторов, поэтому его можно считать бесконечно большим. В этом случае напряжение источника поровну «делится» между резисторами, поэтому теоретическая формула для напряжения, измеренного мультиметром, имеет примитивный вид
Измеренное значение напряжения источника
2.3 Укажите, какова основная причина отличия результатов измерений, полученных с помощью мультиметра и стрелочного вольтметра.
Почему одинаковые измерения разными приборами могут дать разные значения? Где в схеме возникает отличие?
Укажи, что причина — конечное входное сопротивление стрелочного вольтметра, которое вносит дополнительную нагрузку на делитель и изменяет распределение напряжения; назови это как влияние сопротивления вольтметра на измеряемую цепь.
- Определи, что стрелочный вольтметр имеет конечное сопротивление
, а мультиметр — значительно большее, что влияет на измерение. - Опиши, как подключение вольтметра параллельно части резисторов меняет эквивалентную схему и распределение напряжений.
- Сформулируй качественное объяснение различий наблюдаемых значений.
2.4 Предложите теоретическую модель, объясняющую результаты, полученные с помощью стрелочного вольтметра. Сравните теоретические результаты, полученные в рамках вашей модели, с результатами измерений.
Республиканская физическая олимпиада 2023 года(Заключительный этап)
Экспериментальный тур
Как учесть конечное сопротивление стрелочного вольтметра в расчёте измеренного напряжения?
Модель: вольтметр сопротивлением
- Определи эквивалентное сопротивление
параллельного соединения резисторов и (в общем виде). - Подставь
в выражение для делителя, получив формулу для через , , и . - Преобразуй выражение так, чтобы получить линейную зависимость между величинами, удобными для анализа (например, в виде
против ). - Вырази параметры линейной зависимости и сравни теоретическую кривую с измеренными данными для стрелочного вольтметра.
2.4 Рассчитаем значение напряжения на вольтметре, если его сопротивление равно
где
сопротивление параллельно соединенных вольтметра и
Преобразуем формулу (9), чтобы привести ее к линейной зависимости:
Интересно отметить, что при
Из соотношения (11) следует, что величина
В последних столбцах Таблицы 2 приведены рассчитанные значения этих величин. График зависимости между ними показан на рисунке и подтверждает проведенные теоретические построения.


