Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.Вам должна быть хорошо знакома формула для расчета сопротивления проводника
где
При выполнении данной работы вы должны продемонстрировать свое понимание этого вопроса. Вам предстоит измерять электрическое сопротивление слоя воды при протекании тока между спицами, вставленными в воду.
***Время от времени зачищайте спицы наждачной бумагой. После каждой серии экспериментов меняйте воду в мензурке. Не пропускайте большой ток через воду – это приводит к появлению в воде большого числа ионов, которые могут «испортить» результата ваших экспериментов.
Мультиметр используйте только в режиме вольтметра!***
Для измерения сопротивления используйте электрическую схему, показанную на рисунке. Здесь
резистор с известным сопротивлением,
1.1 Запишите формулу, по которой вы будете рассчитывать неизвестное сопротивление в приведенной схеме. Укажите, какие величины вы будете измерять.
Заметил ли ты, что через последовательные резисторы течёт один и тот же ток? Составь соотношение напряжений, которое можно измерить мультиметром.
Запиши соотношение между падениями напряжения на известных и неизвестных резисторах, воспользуйся тем, что ток одинаков через оба элемента и известна величина R0.
- Запиши, что через оба резистора течёт один и тот же ток
и запиши падения напряжения и . - Раздели одно выражение на другое, чтобы получить соотношение между
, , и . - Вырази
через известные величины и измеряемые напряжения; укажи, какие именно величины нужно измерить (напряжения на известном и на неизвестном резисторе). - Выразите
из полученной системы.
1.1 Так как при последовательном соединении проводников сила тока одинакова через каждый из них, то справедливо соотношение
из которой следует расчетная формула для измеряемого сопротивления
Таким образом, для измерения неизвестного сопротивления необходимо измерить напряжения на измеряемом и известном резисторах.
Если бы напряжение источника было стабилизировано, то достаточно было измерить напряжение на одном из них.
1.1 Измерьте зависимость сопротивления полоски картона от расстояния между контактами (скрепками). Постройте график полученной зависимости.
Рекомендуем передвигать только одну скрепку, оставляя вторую на месте.
Начинайте измерения с малых расстояний.
Заметил ли ты, что через последовательные резисторы течёт один и тот же ток? Составь соотношение напряжений, которое можно измерить мультиметром.
Запиши соотношение между падениями напряжения на известных и неизвестных резисторах, воспользуйся тем, что ток одинаков через оба элемента и известна величина R0.
- Запиши, что через оба резистора течёт один и тот же ток
и запиши падения напряжения и . - Раздели одно выражение на другое, чтобы получить соотношение между
, , и . - Вырази
через известные величины и измеряемые напряжения; укажи, какие именно величины нужно измерить (напряжения на известном и на неизвестном резисторе). - Выразите
из полученной системы.
1.1 Так как при последовательном соединении проводников сила тока одинакова через каждый из них, то справедливо соотношение
из которой следует расчетная формула для измеряемого сопротивления
Таким образом, для измерения неизвестного сопротивления необходимо измерить напряжения на измеряемом и известном резисторах.
Если бы напряжение источника было стабилизировано, то достаточно было измерить напряжение на одном из них.
1.2 После того, как расстояние между скрепками стало максимальным посолите ее по всей длине – соли не жалейте. Измерьте сопротивление соленой полоски длиной
максимальной длины. После того, как вы насыпали соли, подождите несколько минут – дайте соли впитаться.
В этом пункте расстояние между контактами изменять не надо.
Измерь тщательно сопротивление полоски после того, как насыпаешь соль и дадите ей впитаться. Обрати внимание на однородность смачивания и на то, не изменился ли контакт у скрепок после посыпки.
Воспользуйся общей связью между сопротивлением проводника, его геометрией и свойствами материала: сопротивление пропорционально длине и обратно пропорционально эффективному поперечному сечению (запиши общий вид
- Зафиксируй расстояние между скрепками максимально и измерь сопротивление полоски до и после посыпки соли (жди несколько минут после посыпки).
- По результатам предыдущей части построй зависимость сопротивления от расстояния между контактами и найди величину сопротивления одного сантиметра для влажной (несоленой) полоски.
- Сравни измеренное сопротивление всей соленой полоски с экстраполяцией на ту же длину из несоленой зависимости, учтя возможные изменения эффективного поперечного сечения и контактов.
- Вырази сопротивление одного сантиметра соленой полоски через измеренное сопротивление солёной полоски полной длины и/или через найденную характеристику из п.2.
1.3 По полученным данным рассчитайте с максимальной точностью сопротивление одного сантиметра мокрой, но не соленой полоски.
1.4 Рассчитайте сопротивление одного сантиметра мокрой и соленой картонной полоски. Не забудьте оценить погрешности ваших результатов!
1.1 Пусть на конец одной из спиц действует некоторая вертикально направленная сила
Заметил ли ты, что через последовательные резисторы течёт один и тот же ток? Составь соотношение напряжений, которое можно измерить мультиметром.
Запиши соотношение между падениями напряжения на известных и неизвестных резисторах, воспользуйся тем, что ток одинаков через оба элемента и известна величина R0.
- Запиши, что через оба резистора течёт один и тот же ток
и запиши падения напряжения и . - Раздели одно выражение на другое, чтобы получить соотношение между
, , и . - Вырази
через известные величины и измеряемые напряжения; укажи, какие именно величины нужно измерить (напряжения на известном и на неизвестном резисторе). - Выразите
из полученной системы.
1.1 Так как при последовательном соединении проводников сила тока одинакова через каждый из них, то справедливо соотношение
из которой следует расчетная формула для измеряемого сопротивления
Таким образом, для измерения неизвестного сопротивления необходимо измерить напряжения на измеряемом и известном резисторах.
Если бы напряжение источника было стабилизировано, то достаточно было измерить напряжение на одном из них.
1.2 Предложите наиболее простой способ экспериментального измерения угла отклонения
В дальней шей работе можете использовать несколько вариантов установок, не забывайте каждый раз их описывать. В остальном вам предоставляется полная свобода выбора!
Экспериментальная часть.
Часть 1. Градуировка и чувствительность.
Измерения провести для двух весов: 1) угол между спицами близок к прямому, 2) угол между спицами близок к развернутому. Обязательно укажите все параметры обоих весов!
- На конец одной из спиц постепенно подвешивайте грузы (скрепки). Измерьте зависимость угла отклонения коромысла от числа подвешенных скрепок.
- Постройте графики полученных зависимостей. Проведите сравнение с результатами ваших «теоретических измышлений».
- Определите чувствительность (отношение изменения угла отклонения к числу подвешенных скрепок) обоих весов.
- Укажите пределы измерения масс для обоих весов (в числе скрепок). Сделайте выводы о достоинствах и недостатках каждых весов.
Часть 2. Закон Архимеда.
К концам спиц на нитках привяжите два одинаковых гвоздя. Соберите такую конструкцию весов, чтобы при измерениях один из гвоздей частично погружался в воду в стаканчике. На одну из спиц (выбирайте самостоятельно) постепенно подвешивайте скрепки, так чтобы при этом гвоздь погружался в воду.
- Исследуйте зависимость силы Архимеда, действующей на гвоздь от глубины его погружения. Постройте график полученной зависимости (при необходимости можете проводить любые дополнительные измерения).
- Определите массу скрепки. Плотность воды считайте известной.
Часть 3. Поверхностное натяжение.
Алюминиевая проволочка Вам выдана, чтобы изгибать ее по своему усмотрению (но не ломать!). Если проволочка касается поверхности жидкости, то на нее действует сила поверхностного натяжения.
- Докажите экспериментально, что сила поверхностного натяжения пропорциональная длине линии разрыва.
- Определите коэффициент поверхностного натяжения воды.
Измерь тщательно сопротивление полоски после того, как насыпаешь соль и дадите ей впитаться. Обрати внимание на однородность смачивания и на то, не изменился ли контакт у скрепок после посыпки.
Воспользуйся общей связью между сопротивлением проводника, его геометрией и свойствами материала: сопротивление пропорционально длине и обратно пропорционально эффективному поперечному сечению (запиши общий вид
- Зафиксируй расстояние между скрепками максимально и измерь сопротивление полоски до и после посыпки соли (жди несколько минут после посыпки).
- По результатам предыдущей части построй зависимость сопротивления от расстояния между контактами и найди величину сопротивления одного сантиметра для влажной (несоленой) полоски.
- Сравни измеренное сопротивление всей соленой полоски с экстраполяцией на ту же длину из несоленой зависимости, учтя возможные изменения эффективного поперечного сечения и контактов.
- Вырази сопротивление одного сантиметра соленой полоски через измеренное сопротивление солёной полоски полной длины и/или через найденную характеристику из п.2.
2.1 Измерьте зависимость сопротивления между спицами от высоты налитой в мензурку воды. Постройте график полученной зависимости.
Нарисуй график зависимости сопротивления между спицами от высоты воды — какие оси удобнее всего выбрать? Снимай данные при разных высотах.
Вычисляй
- Для каждой высоты измерь напряжения на известном и измеряемом резисторах и вычисли
по формуле из 1.1. - Построй график
как функцию и наблюдай форму зависимости (вырожденность, асимптоты, монотонность). - Проанализируй график, выдели область, где зависимость выглядит регулярной, и приготовься для аппроксимации параметрической формулы.
- Выразите
из полученной системы.
2.2 Нарисуйте схематически как, по вашему мнению протекает электрический ток через воду. Выскажите предположение о виде полученной зависимости
Как, по‑твоему, «идёт» ток между боковыми поверхностями спиц при большой разности высот? Нарисуй прокладываемые токовые линии в поперечном сечении.
Воспользуйся идеей проводника с длиной между электродами и эффективным поперечным сечением: примени соотношение
- Предположи, что эффективная площадь поперечного сечения пропорциональна высоте слоя воды,
. - Подставь это в соотношение
и получи функциональную форму зависимости сопротивления от высоты (запиши параметрическую формулу с константой). - Объясни физически, почему такое приближение уместно при данных геометриях электродов и в каких пределах ожидать отклонения.
- Выразите неизвестный параметр этой формулы (константу пропорциональности) из полученной системы.
2.3 На основании полученных экспериментальных данных обоснуйте ваше предположение, высказанное в п. 2.2 (обоснование можно провести с помощью иного графика!). Определите неизвестные параметры вашей предполагаемой зависимости.
Как лучше проверить гипотезу обратной пропорциональности? Подумай, какую переработку данных упростит проверку.
Построй преобразованный график (например, проводимость
- Вычисли для каждой точки
и построй график . - Аппроксимируй данные прямой и найди наклон и пересечение с осью, интерпретируй наклон как
. - Оцени области отклонения от прямой и свяжи их с причинами (концевые эффекты, неравномерность токовых линий при больших
). - Выразите константу
(параметр предполагаемой зависимости) из полученной системы.
2.1 Измерьте электрическое сопротивление полоски после ее закрепления на дне
Капните на щель немного воды, так, чтобы она покрыла ее. Насыпьте на щель горочку соли, так, чтобы она полностью накрыла щель.
Нарисуй график зависимости сопротивления между спицами от высоты воды — какие оси удобнее всего выбрать? Снимай данные при разных высотах.
Вычисляй
- Для каждой высоты измерь напряжения на известном и измеряемом резисторах и вычисли
по формуле из 1.1. - Построй график
как функцию и наблюдай форму зависимости (вырожденность, асимптоты, монотонность). - Проанализируй график, выдели область, где зависимость выглядит регулярной, и приготовься для аппроксимации параметрической формулы.
- Выразите
из полученной системы.
2.2 Измерьте зависимость сопротивления между контактами от времени (не мене 20 минут).
Как, по‑твоему, «идёт» ток между боковыми поверхностями спиц при большой разности высот? Нарисуй прокладываемые токовые линии в поперечном сечении.
Воспользуйся идеей проводника с длиной между электродами и эффективным поперечным сечением: примени соотношение
- Предположи, что эффективная площадь поперечного сечения пропорциональна высоте слоя воды,
. - Подставь это в соотношение
и получи функциональную форму зависимости сопротивления от высоты (запиши параметрическую формулу с константой). - Объясни физически, почему такое приближение уместно при данных геометриях электродов и в каких пределах ожидать отклонения.
- Выразите неизвестный параметр этой формулы (константу пропорциональности) из полученной системы.
2.3 Постройте график полученной зависимости. Качественно объясните его поведение.
При диффузии, расстояние
Как лучше проверить гипотезу обратной пропорциональности? Подумай, какую переработку данных упростит проверку.
Построй преобразованный график (например, проводимость
- Вычисли для каждой точки
и построй график . - Аппроксимируй данные прямой и найди наклон и пересечение с осью, интерпретируй наклон как
. - Оцени области отклонения от прямой и свяжи их с причинами (концевые эффекты, неравномерность токовых линий при больших
). - Выразите константу
(параметр предполагаемой зависимости) из полученной системы.
2.4 Проверьте выполнимость этого закона в проведенном вами эксперименте. Оцените коэффициент диффузии соли
Здесь можно обойтись без оценки погрешности.
2.1 Измерьте зависимость показаний динамометра от угла закрутки.
Нарисуй график зависимости сопротивления между спицами от высоты воды — какие оси удобнее всего выбрать? Снимай данные при разных высотах.
Вычисляй
- Для каждой высоты измерь напряжения на известном и измеряемом резисторах и вычисли
по формуле из 1.1. - Построй график
как функцию и наблюдай форму зависимости (вырожденность, асимптоты, монотонность). - Проанализируй график, выдели область, где зависимость выглядит регулярной, и приготовься для аппроксимации параметрической формулы.
- Выразите
из полученной системы.
2.2 Проведите аналогичные измерения для трех грузов.
Как, по‑твоему, «идёт» ток между боковыми поверхностями спиц при большой разности высот? Нарисуй прокладываемые токовые линии в поперечном сечении.
Воспользуйся идеей проводника с длиной между электродами и эффективным поперечным сечением: примени соотношение
- Предположи, что эффективная площадь поперечного сечения пропорциональна высоте слоя воды,
. - Подставь это в соотношение
и получи функциональную форму зависимости сопротивления от высоты (запиши параметрическую формулу с константой). - Объясни физически, почему такое приближение уместно при данных геометриях электродов и в каких пределах ожидать отклонения.
- Выразите неизвестный параметр этой формулы (константу пропорциональности) из полученной системы.
2.3 Проверьте выполнимость формулы Л. Эйлера в обоих случаях.
Как лучше проверить гипотезу обратной пропорциональности? Подумай, какую переработку данных упростит проверку.
Построй преобразованный график (например, проводимость
- Вычисли для каждой точки
и построй график . - Аппроксимируй данные прямой и найди наклон и пересечение с осью, интерпретируй наклон как
. - Оцени области отклонения от прямой и свяжи их с причинами (концевые эффекты, неравномерность токовых линий при больших
). - Выразите константу
(параметр предполагаемой зависимости) из полученной системы.
2.4 Определите по этим данным значения коэффициента трения.
3.1 Измерьте зависимость сопротивления между спицами от расстояния между концами спиц
3.2 Нарисуйте схематически как, по вашему мнению протекает электрический ток через воду в этом случае. Выскажите предположение о виде полученной зависимости
Возможно, что ваша формула будет приблизительно описывать полученную зависимость только в каком то интервале расстояний
Нарисуй распределение токов при данной конфигурации: как меняется плотность тока около острия и вдоль столба воды?
Исходя из распределения тока, используй модель длины проводника с контактным сопротивлением: ожидай
- Объясни, почему при малых
контактное сопротивление заметно, а при больших — проявляется линейная часть. - Сформулируй модельную формулу
с указанием физического смысла и . - Определи экспериментально интервал, где модель адекватна, и проведи линейную аппроксимацию в этом интервале.
- Выразите
и из полученной системы.
3.3 На основании полученных экспериментальных данных обоснуйте ваше предположение, высказанное в п. 3.2. Определите неизвестные параметры вашей предполагаемой зависимости.
Как проверить соответствие модели данным? Подумай, какими графиками это удобнее показать.
Построй график
- Выполни линейную аппроксимацию в выбранной области и выпиши значения
и . - Построй остатки (разница между экспериментом и моделью) и проинтерпретируй их по физическим причинам.
- Определи, при каких
модель даёт адекватное приближение, а где наблюдаются систематические отклонения. - Выразите найденные параметры
и из полученной системы.
3.1 Рассчитайте среднее значение коэффициента трения нити об иголку по всем своим измерениям.
11 класс. Взвесим все!
Теория весов не так проста и очевидна, как кажется на на первый взгляд.! Конечно, основой является прави ли рычага, сформулированное еще Архимедом, но и конце 19 века Д.И. Менделеев строил теорию рычажных весов. Вам также предстоит разработать свою собственную теорию, проверить ее на практике и провести ряд различных измерений.
Приборы и оборудование: штатив, ластик, две спицы длиной 30 см, подставка (кусочек фанеры или пластика), 2 линейки 40 см, кусок пластилина, 10 канцелярских скрепок, стакан с водой, гвоздь 100 мм, нитки, кусок алюминиевое проволоки 15 см, два кольцевых магнита, штангенциркуль (один на всех).
Основа вашей работы – самодельные весы, которые вам предстоит раработать самостоятельно.
Воткните две спицы симметрично в ластик, так чтобы они держались прочно в нем – это коромысло ваших весов. В лапке штатива зажмите вертикально упор – небольшую пластинку. Поставьте на него ластик со спицами – убедитесь, что весы устойчиво (с колебаниями) удерживаются на упоре. На концы спиц вы можете подвешивать нужные вам предметы. Измерительную линейку следует располагать на столе с помощью пластилина (можно и под небольшим углом к вертикали). Прикрепляя к спице кусочек пластилина Вы можете добиваться нужного вам положения равновесия.
Часть Теоретическая (тоже оценивается!)
Даже если вы ее не выполните – продолжайте работу – используйте собственные градуировочные графики.
Коромысло весов в теории можно заменить на материальную точку некоторой массы 
находящейся на расстоянии
Примечания
- 1. , Всвоихизмерениямыиспользовалистабилизированныйисточникпоэтомуданныеприведенытолькодля напряжения U , расчеты проведены по формуле (2). x ↩

