Решение

Городская олимпиада (3-й этап) 2019 11 класс № Э1

Задание 11-1. Как работает омметр?

Часть 1. Характеристики проволочного резистора и источника тока.

1.1

1.1 Результаты измерений сопротивлений приведены в таблице 1 и на графике.
Таблица 1.

, Ом , Ом (расчет)
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 , можно определить по графику, или по методу наименьших квадратов. Параметры этой зависимости (по МНК) равны
Ом
Ом

1.2

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
В
Для измерения внутреннего сопротивления источника следует измерить зависимость напряжения на внешней цепи от ее сопротивления с помощью схемы, приведенной на рисунке.

Измеряемое напряжение в этом случае рассчитывается по формуле

Результаты измерений приведены в таблице 2 и на графике.

Таблица 2.

, Ом , мВ
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 равен силе тока в цепи .

Рассчитанное по МНК значение коэффициента наклона равно

мА

Тогда внутренне сопротивление предоставленного источника равно

кОм

Полученное значение также обосновывает способ прямого измерения ЭДС, так как сопротивление вольтметра составляет величины порядка 1 Мом.

1.3

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

2.1 -2.2 Результаты измерений зависимости показаний омметра от сопротивления резистора приведены в таблице 3. Эти же зависимости показаны на графике.

Таблица 3.

, Ом , Ом , Ом
1 3,24 17,2 -11,1
2 5,98 34,8 -22,5
3 8,72 51,5 -33,1
4 11,46 69,4 -44,3
5 14,20 86,7 -54,9

2.3

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 - некоторый коэффициент пропорциональности, причем произведение численно равно 1. Если во внешней цепи присутствует источник тока силой , то показания омметра в этом случае могут быть описаны формулой

Полученные зависимости могут быть описаны формулами прямо пропорциональной зависимости

Причем коэффициенты наклона равны ; . Как следует из формулы (6) сумма этих коэффициентов должна быть равна 2, что подтверждается экспериментальными данными.
Разность этих коэффициентов равна

Используя полученные значения коэффициентов, находим
мА

3.1

3.1 Результаты измерений показаний омметра в «комбинированной» схеме приведены в таблице 4 и на графике.
Таблица 4.

, Ом , Ом , Ом
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.

Комбинированная схема