Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Внимание!
1. В данной работе используются токи, сила которых достигает 1 А. При таких значениях силы тока, батарейки достаточно быстро разряжаются. Поэтому тщательно продумывайте методику проведения всех необходимых измерений: подключайте источник к цепи только во время проведения измерений. При проведении измерений одной зависимости (п. 1.6 и п. 2.2) отключать источник не следует.
На корпусе блока питания имеется выключатель. Используйте его в своей работе.
Повторно источники тока выдаваться не будут!
2. С другой стороны, при изменении силы тока при протекании его через лампочку накаливания через маломощный резистор требуется некоторое время (порядка 20 - 30 секунд) для установления теплового равновесия. Учитывайте это обстоятельство при проведении измерений. При большем времени ожидания изменения показаний могут быть связаны с разрядкой батарейки.
3. Убедитесь, что ЭДС выданного источника (до начала работы) превышает 4,0 В, в противном случае, требуйте его замены.
4. Для изменения точек подключения мультиметра в ходе измерений используйте зажимы «крокодил».
5. Концы соединительных проводов зачищены -- используйте их для соединения методом скручивания. Старайтесь использовать минимальное количество проводов, т.к. они вносят небольшие дополнительные сопротивления, что в данной работе может повлиять на результаты измерений.
6. Скользящие контакты проволочного резистора могут немного отходить от проволочной обмотки -- в этом случае прижмите их рукой.
7. Ползунковый реостат имеет три вывода. Самостоятельно разберитесь со схемой их подключения, используя для этого мультиметр в режиме измерения сопротивления.
8. Оценка погрешностей в данной работе не требуется.
Каждый резистор промышленного производства рассчитан на определенную мощность протекающего тока. При превышении этой номинальной мощности резистор начинает разогреваться, при этом его сопротивление изменяется. В данном задании Вам необходимо исследовать характеристики маломощного резистора при превышении допустимой мощности протекающего тока. Для того, чтобы освоить методику проведения эксперимента в первой части работы исследуется изменение сопротивления лампочки накаливания, для которой этот эффект более заметен.
1.3 Приведите результаты измерений и значение сопротивление маломощного резистора
После выполнения измерений убедись, что переменный резистор выставлен на максимальное сопротивление и показания стабильны.
Используй формулу из п.1.2 для вычисления
- Запиши все измеренные значения напряжений с указанием диапазона и погрешности прибора.
- Подставь измеренные напряжения и известное
в выражение для (не вычисляй здесь чисел). - Оформи результат в виде таблицы:
, , вычисленное . - Вырази окончательное значение
через измеренные величины (т.е. подготовь вычисление).
1.3 Результаты измерений и полученные значения сопротивления резистора
Сопротивление
1.4 Используя мультиметр в режиме омметра, измерьте сопротивление «холодной» лампочки
Соберите схему, показанную на рисунке. Здесь 
Перед измерением омметром убедись, что лампочка холодная и не подключена к источнику питания.
В режиме омметра измерь сопротивление нити лампочки
- Отключи лампочку от цепи и убедись в отсутствии напряжения.
- Подключи щупы мультиметра к контактам лампочки и дождись установившегося показания.
- Зафиксируй значение
и диапазон/разряд прибора. - Запиши измеренное
для дальнейших расчётов.
1.4 Сопротивление «холодной» лампочки
1.5 Нарисуйте схему блока питания.
Подумай, как управлять силой тока в цепи при помощи последовательно включённого переменного резистора, чтобы охватить весь диапазон токов.
Предложи схему блока питания: источник ЭДС последовательно с реостатом (50 Ом) и исследуемой цепью; так регулируют ток в цепи.
- Нарисуй источник и последовательно с ним переменный резистор 50 Ом и нагрузку (лампочка плюс эталонный резистор).
- Укажи вольтметр(ы) для измерения
и и место переключателя для снятия показаний с каждой нагрузки. - Обозначь выключатель и место для подключения мультиметра в режиме измерения напряжения.
- Проверь на схеме, что при максимальном сопротивлении реостата достигается минимальный ток, после чего вырази необходимые измеряемые величины для расчётов.
1.6 Измерьте значения напряжений на эталонном резисторе
При каждом новом положении реостата дождись теплового равновесия лампочки (20–30 с) перед снятием показаний.
Измеряй последовательно
- Выбери набор точек регулировки реостата, покрывающий интересный диапазон токов.
- Для каждой точки подожди установления показаний и измерь
и , записав их вместе. - Повтори снятие нескольких раз для стабильности показаний и выполни контрольное измерение в начале и конце серии.
- Собери все пары
в таблицу для дальнейших вычислений.
1.6 Таблица результатов и расчетов характеристик лампочки накаливания
| 45,8 | 0,59 | 66,13 | 6,18 | 1,88 | 39,017 |
| 51,6 | 0,74 | 74,51 | 6,88 | 2,58 | 55,134 |
| 58 | 0,93 | 83,75 | 7,69 | 3,39 | 77,884 |
| 64 | 1,11 | 92,41 | 8,32 | 4,02 | 102,575 |
| 68 | 1,22 | 98,19 | 8,61 | 4,31 | 119,786 |
| 75 | 1,45 | 108,29 | 9,27 | 4,97 | 157,024 |
| 86 | 1,81 | 124,18 | 10,09 | 5,79 | 224,758 |
| 94,8 | 2,26 | 136,88 | 11,43 | 7,13 | 309,353 |
| 100 | 2,49 | 144,39 | 11,94 | 7,64 | 359,531 |
| 111 | 2,94 | 160,27 | 12,70 | 8,40 | 471,203 |
| 125 | 3,59 | 180,49 | 13,78 | 9,48 | 647,951 |
| 45,8 | 0,59 | 66,13 | 6,18 | 1,88 | 39,017 |
| 51,6 | 0,74 | 74,51 | 6,88 | 2,58 | 55,134 |
| 58 | 0,93 | 83,75 | 7,69 | 3,39 | 77,884 |
| 64 | 1,11 | 92,41 | 8,32 | 4,02 | 102,575 |
| 68 | 1,22 | 98,19 | 8,61 | 4,31 | 119,786 |
| 75 | 1,45 | 108,29 | 9,27 | 4,97 | 157,024 |
| 86 | 1,81 | 124,18 | 10,09 | 5,79 | 224,758 |
| 94,8 | 2,26 | 136,88 | 11,43 | 7,13 | 309,353 |
1.7 Рассчитайте и постройте график зависимости силы тока
Подумай, как по измеренным напряжениям на эталоне и на лампочке получить силу тока и сопротивление лампочки для построения ВАХ.
Воспользуйся законом Ома: сила тока через цепь связана с напряжением на эталоне и его сопротивлением
- Вычисли для каждой пары измерений силу тока
как отношение к известному . - Вычисли сопротивление лампочки
через и полученный . - Построй график зависимости
от (оси: — горизонтальная, — вертикальная). - Вырази
и из полученной системы измерений.
1.8 Рассчитайте и постройте график зависимости изменения сопротивления исследуемой лампочки накаливания
Нужны изменения сопротивления относительно холодного состояния и мощность на лампочке; собери эти величины для всех точек.
Вычисляй изменение сопротивления
- Для каждой точки вычисли
и затем . - Вычисли мощность
для каждой точки. - Построй график зависимости
от и оцени форму зависимости (линейная/кривая). - Вырази
через измеренные величины в таблице.
1.9 Используя полученный график, обоснованно ответьте на вопрос: «Можно ли считать, что сопротивление лампочки линейно зависит от его температуры, а мощность теплоты, уходящей от лампочки в окружающую, среду пропорциональная разности температур резистора и окружающей среды?»
1.9 Вывод, ответ на поставленный вопрос
Если сопротивление лампочки линейно зависит от температуры, а мощность пропорциональна разности температур нити накала и комнатной, то зависимость изменения сопротивления от мощности -- линейна!
Получена нелинейная зависимость, поэтому высказанные предположения не оправдались.
2.1 Покажите, что напряжение между точками
Формула (1) является приближенной, ее можно использовать, если относительное изменение сопротивления не превышает 20%.
Добрый совет: Не тратьте слишком много времени на вывод этой формулы. Если Вам не удается ее получить быстро, лучше приступайте к измерениям, и пользуйтесь этой формулой для обработки результатов.
2.1 Вывод формулы (1)
Из правил Кирхгофа следует:
потенциал в точке
а в точке
Разность этих формул приводит к формуле
Напряжение на эталонном резисторе равно
Из отношения этих напряжений следует приведенная формула
2.2 Проведите измерения значений напряжений
При съёме данных используй ту же методику ожидания установившихся значений и не меняй положение движка реостата после балансировки.
Измерь для разных токов напряжение на эталонном резисторе
- Установи минимальный ток и повторно добейтесь балансировки моста (
) перед серией измерений. - Для каждой точки увеличивай ток, дождись установления температуры, измерь и запиши
и . - Повтори измерения для набора точек, покрывающих диапазон токов, и проверь стабильность результатов.
- Подготовь таблицу с парами
для дальнейших вычислений .
2.2 Результаты измерений характеристик маломощного резистора
Таблица 2.
| 49 | 1,0 | 10,4 | 1,69 |
| 129 | 3,2 | 12,7 | 11,7 |
| 170 | 4,8 | 14,4 | 20,4 |
| 236 | 7,8 | 16,9 | 39,5 |
| 316 | 12,8 | 20,7 | 71,2 |
| 382 | 20,0 | 26,7 | 105,0 |
| 429 | 25,2 | 30,0 | 133,0 |
| 558 | 48,7 | 44,5 | 229,5 |
| 675 | 78,0 | 58,9 | 342,4 |
Формула для расчета мощности на исследуемом маломощном резисторе
2.3 Рассчитайте по полученным данным и постройте график зависимости изменения сопротивления резистора
2.4 Используя полученный график, обоснованно ответьте на вопрос: «Можно ли считать, что сопротивление маломощного резистора линейно зависит от его температуры, а мощность теплоты, уходящей от резистора в окружающую, среду пропорциональная разности температур резистора и окружающей среды?»
Оцени форму полученного графика: прямая — подтверждение линейной зависимости, кривизна — свидетельство других механизмов теплоотвода.
Сопоставь экспериментальную зависимость с моделью линейной связи сопротивления от температуры и закона Ньютона для теплоотдачи; если график линейный — модель приемлема в диапазоне измерений.
- Проанализируй график
на предмет линейности (построй прямую наилучшего соответствия и смотри отклонения). - Учитывая пределы применимости приближённой формулы и нагрев, обсуди возможные причины отклонений от линейности (радиация, конвекция, изменение окружающих условий).
- Сформулируй вывод: либо принять линейную модель в экспериментальном диапазоне, либо отвергнуть её из-за видимой нелинейности.
- Вырази заключение о том, можно ли считать
линейно зависящим от температуры и пропорциональным разности температур.
2.4 Вывод, ответ на поставленный вопрос
Так как полученная здесь зависимость линейная, то следует считать, что сопротивление резистора возрастает с ростом температуры, а мощность потерь в окружающую среду пропорциональна разности температур резистора и воздуха.
