Режим тренировки Edu
Баллы скрыты. Решайте по частям: открывайте подсказки и ответ только когда застряли, отмечайте решённое.В данном задании вам необходимо понять принцип работы омметра и подтвердить ваше понимание результатами измерений и их интерпретацией.
Основная идея работы омметра – измерение напряжения на внешней цепи!
Принципиальная схема омметра показана на рисунке: внутри имеется источник, ЭДС которого обозначим 
Проволочный резистор имеет 6 выводов, поэтому у вас есть возможность использовать его в качестве переменного резистора с 5 дискретными значениями сопротивления. На рисунке показана схема этого резистора, на ней указаны номера клемм.
К гальваническому элементу последовательно подключен постоянный резистор, его сопротивление играет роль внутреннего сопротивления источника.
1.1 Переключите мультиметр в режим измерения сопротивления (далее режим омметра). Измерьте сопротивления проволочного резистора
В дальнейшем используйте рассчитанные значения сопротивлений резистора
Нарисуй схему подключения и посмотри, как меняется общее сопротивление при подключении разных выводов проволочного резистора. Заметь, выглядит ли зависимость монотонной и примерно линейной.
Подгони данные по
- Запиши измеренные значения
для всех и построй график . - Выполни линейную аппроксимацию данных методом наименьших квадратов и найди параметры
и (коэффициент наклона и смещение). - Проверь адекватность аппроксимации (остатки, погрешности параметров).
- По найденным
и выразите усреднённые значения сопротивлений для каждого .
1.1 Результаты измерений сопротивлений приведены в таблице 1 и на графике.
Таблица 1.
| 1 | 3,1 | 3,24 |
| 2 | 6,2 | 5,98 |
| 3 | 8,7 | 8,72 |
| 4 | 11,4 | 11,46 |
| 5 | 14,2 | 14,20 |
Параметры этой зависимости
1.2 Измерьте ЭДС
Приведите электрическую схему, с помощью которой вы проводили измерения, результаты измерений, расчетные формулы, численные значения требуемых параметров и оценку погрешности.
1.2 Для измерения ЭДС достаточно подключить вольтметр к выводам источника, измеренное значение напряжения будет равно ЭДС источника, так как внутреннее сопротивление вольтметра очень велико по сравнению с внутренним сопротивлением источника.
Измеренное значение равно
Для измерения внутреннего сопротивления источника следует измерить зависимость напряжения 
Результаты измерений приведены в таблице 2 и на графике.
Таблица 2.
| 1 | 3,24 | 4,4 |
| 2 | 5,98 | 9,1 |
| 3 | 8,72 | 13,5 |
| 4 | 11,46 | 18,1 |
| 5 | 14,20 | 22,7 |
Полученные результаты показывают, что напряжение пропорционально сопротивлению внешней цепи. Это возможно в том случае, если внутренне сопротивление источника значительно превышает сопротивление внешней цепи. Действительно в этом случае из формулы (1) получаем (при
Итак, в этом случае коэффициент наклона, полученной зависимости
Рассчитанное по МНК значение коэффициента наклона равно
Тогда внутренне сопротивление предоставленного источника равно
Полученное значение также обосновывает способ прямого измерения ЭДС, так как сопротивление вольтметра составляет величины порядка 1 Мом.
1.3 Укажите, какой единственной величиной можно характеризовать источник в данных экспериментах.
Сравни по порядку величины найденное внутреннее сопротивление источника и сопротивления используемых внешних цепей.
Если внутреннее сопротивление источника много больше внешнего, источник можно рассматривать как источник тока; его одной удачной характеристикой служит сила тока в цепи
- Возьми найденные значения
и и сравни с типичными . - Если
, обозначь источник как источник тока и введи величину тока в цепи. - Оцени погрешность
через погрешности и . - По найденным данным выразите искомую единственную характеристику источника — силу тока
.
1.3 Так как внутренне сопротивление источника примерно равно 1 кОм, а сопротивления используемых цепей не превышают 20 Ом, источник можно рассматривать как источник тока, то есть считать, что сила тока в цепи не зависит от ее сопротивления. Поэтому источник следует характеризовать постоянной силой тока (3).
2.1 Измерьте зависимость показаний омметра от сопротивления проволочного резистора. Измерения проведите при двух различных полярностях подключения источника. Обозначим эти показания
Включи омметр параллельно резистору и источнику так, как показано; обрати внимание на полярность подключаемого источника и как меняются показания прибора при её смене.
Предположи, что внутри омметра стоит источник тока с силой
- Подключи схему и для каждой позиции
измерь показания омметра при двух полярностях источника, получив пары и . - Зафиксируй соответствующие усреднённые сопротивления
и занеси все точки в таблицу. - Проследи, меняются ли показания линейно с
и одинаков ли характер зависимости для двух полярностей. - Подготовь данные для аппроксимации прямой зависимости, чтобы далее выразить параметры модели.
2.2 Постройте графики полученных зависимостей
2.3 Выскажите предположение о свойствах источника тока внутри омметра. Объясните полученные в этой части зависимости. Определите значение силы тока, создаваемого источником омметра. Оцените его погрешность.
Обрати внимание на то, как меняются показания омметра при смене полярности подключенного внешнего источника и при увеличении внешнего сопротивления. Нарисуй схему с источником, резистором и клеммами омметра и отметь направления предполагаемых напряжений на клеммах.
Запиши уравнения Кирхгофа и закон Ома для этой цепи, учтя, что омметр измеряет напряжение на своих клеммах и переводит его в показание (через некоторую калибровочную величину). Сформулируй, как знак и величина дополнительного напряжения влияют на измеряемое значение.
- Нарисуй схему и подпиши напряжения на входе омметра для обеих полярностей внешнего источника.
- Запиши уравнение, связывающее измеренное напряжение на клеммах с ЭДС(ами) и падениями напряжения на внешнем и внутреннем сопротивлениях цепи (используя закон Ома/Кирхгофа).
- Запиши связь между показанием омметра
и измеренным на клеммах напряжением (учти калибровочный коэффициент омметра). - Построй по экспериментальным данным график зависимости
, выполните линейную аппроксимацию и выразите силу тока омметра из полученной системы уравнений.
2.3 Полученные зависимости с высокой точностью можно считать прямо пропорциональными. Эти зависимости легко объяснить, если предположить, что внутреннее сопротивление омметра также велико (по сравнению с сопротивлением проволочного реостата), т.е. источник является источником тока с некоторым значением силы тока
Действительно, если показания омметра пропорциональны напряжению на внешней цепи, то при отсутствии ЭДС во внешней цепи показания омметра описываются формулой
Где
Полученные зависимости могут быть описаны формулами прямо пропорциональной зависимости
Причем коэффициенты наклона равны
Разность этих коэффициентов равна
Используя полученные значения коэффициентов, находим
3.1 Измерьте зависимость показаний омметра от номера точки подключения
Переключай точку подключения источника по звеньям резистора и следи, как меняются показания омметра для двух полярностей; обрати внимание на резкие изменения характера зависимости между участками.
Продолжай пользоваться моделью омметра как источника тока
- Для каждого положения
измерь показания омметра при двух полярностях и занеси в таблицу. - Определи эквивалентное сопротивление той части проволочного резистора, которая подключена к омметру, для каждого
(используй ). - Построй зависимости показаний омметра от этого подключенного сопротивления и выдели интервалы, где наклон совпадает с зависимостями из части 2 и где он равен единице по нормировке прибора.
- По полученным наклонам выразите параметры модели (например,
и соотношение с ) из полученной системы.
3.1 Результаты измерений показаний омметра в «комбинированной» схеме приведены в таблице 4 и на графике.
Таблица 4.
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 3,24 | 16,90 | -10,95 |
| 2 | 5,98 | 34,90 | -22,70 |
| 3 | 8,72 | 37,40 | -19,75 |
| 4 | 11,46 | 40,35 | -16,90 |
| 5 | 14,20 | 43,30 | -14,10 |
На графиках приведенные примерные значения коэффициентов наклона. Полученные зависимости легко объяснимы в рамках рассматриваемой модели омметра. Действительно, на первых двух звеньях коэффициенты наклона определяются формулой (6). Их численные значения совпадают с коэффициентами наклона, найденными в предыдущей части. На остальных звеньях изменение показаний определяются формулой (5) с единичным коэффициентом наклона.
3.2 Постройте графики зависимостей показаний омметра в данной схеме от сопротивления подключенной к омметру части резистора.
Изобрази на графике показания омметра против сопротивления подключённой части резистора и найди участки с разными наклонами; логично ожидать, что первые звенья дадут одну пропорцию, остальные — другую.
Аппроксимируй отдельные линейные участки и сравни наклоны с
- Построй график показаний омметра от сопротивления подключённой части и выдели очевидные линейные куски.
- Выполни аппроксимацию каждого линейного участка и найди их наклоны с погрешностями.
- Сопоставь полученные наклоны с модельными выражениями из части 2 и определи, какие участки соответствуют «свободной» части резистора, а какие — участкам, затронутым источником.
- По системе наклонов выразите соответствующие параметры модели (например,
и множители, зависящие от ).
3.3 Качественно объясните полученные зависимости.
Качественно опиши, почему при переходе от одних точек подключения к другим наклон графика меняется: какие части резистора оказываются замкнуты и не влияют на измерения, а какие — вносят вклад в напряжение на омметре.
Объяснение опирается на модель: если подключена часть резистора длиной, дающей эквивалентное сопротивление
- Определи для каждого положения
, какая часть проволочного резистора действительно подключена к омметру и какие сегменты замыкает внешний источник. - Объясни, почему для первых двух звеньев наклоны совпадают с результатами части 2, а для последующих звеньев наклон стремится к значению, соответствующему только
(без влияния внешнего ). - Свяжи наблюдаемые знаки и величины наклонов с направлением суммарного тока в цепи при разных полярностях.
- Сформулируй итог: выразите искомые параметры модели (наклоны/токи) из полученной системы и сопоставьте их с результатами предыдущих частей.
