Лабораторная работа № 10 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10 .............................................................................................................. 21. ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................... 22. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................. 33.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ ............................................................................................. 44. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... 5ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ...................................................................................................... 65. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ..............................................................................................................

62Лабораторная работа № 10ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩЕЙ СИЛЫМЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИЦель работы: ознакомление с одним из методов измерения электродвижущихсил (ЭДС).1. ВведениеНаправленное движение зарядов в цепях электрического тока может происходитьпод действием как электростатических (кулоновских) сил, так и под действиемсил иного происхождения (сторонних).

Действие этих сил можно охарактеризовать работой, которую они совершают над перемещающимися по цепи зарядами.Работа, совершаемая кулоновскими силами при переносе единичного положительного точечного заряда из точки 1 в точку 2 цепи (рис. 1), называется разностью потенциалов между точками 1 и 2:φ1  φ2 Aкул.q(1)Электродвижущей силой (ЭДС) на участке цепи 1-2 (РИС. 1) называется работасторонних (неэлектростатических) сил по перемещению единичного положительного точечного заряда из точки 1 в точку 2 на участке цепи:e12 Aст.q(2)Напряжением на участке цепи 1-2 называется физическая величина U12, равнаясуммарной работе всех сил по переносу единичного положительного точечногозаряда из точки 1 в точку 2:A(3)U12  12  (φ1  φ2 )  e12 .q_1e+R2Рис.

1Согласно обобщённому закону Ома для участка цепи напряжение цепи равнопроизведению силы тока на сопротивление этого участка:(4)I12R12  U12  (φ1  φ2 )  e12где R12 – суммарное сопротивление данного участка, I12 – сила тока, текущего поэтому участку цепи.Пользуясь обобщённым законом Ома, нужно соблюдать правило знаков, согласнокоторому ЭДС источника, включённого на участке цепи 1-2 положительна, еслинаправление обхода от 1 к 2 соответствует направлению движения от катода каноду внутри источника.

На примере РИС. 1 e12 > 0.32. Описание установки и метода измеренийСущность метода компенсации заключается в том, что неизвестная ЭДС компенсируется равной по величине и противоположной по знаку разностью потенциалов, так что ток на участке с исследуемой ЭДС равен нулю.Принципиальная схема данного метода измерения ЭДС изображена на РИС. 2.Здесь е – вспомогательный источник, ЭДС которого заведомо больше ЭДС исследуемого элемента ех; Rx, R – внешние сопротивления; r0, rх – внутренние сопротивления источников; Г – гальванометр.+ eIAiI1RxRBГICi+ exРис. 2Компенсация возможна только в том случае, если е и еx включены одноимённымиполюсами навстречу друг другу. Если е > ех, то всегда можно подобрать такое положение подвижного контакта В, при котором тока в цепи гальванометра не будет.

Обозначим установившиеся значения токов на всех участках при некоторомположении контакта В через I, i, и I1 (РИС. 1). Тогда согласно обобщённому законуОма для участка ВехА (при направлении обхода от В к А) получимi  rx  Rг   φВ  φА  ex ,Rг – сопротивление гальванометра. Изменив положение контакта В, добиваемсяотсутствия тока через гальванометр: i = 0.

В этом случае искомая ЭДС(5)ex  φA  φB .С другой стороны, по закону Ома для участка ARxBIRx  φA  φB ,где Rx – сопротивление участка АВ в момент компенсации. Так как в условияхкомпенсации ток в точках А и В не разветвляется (i = 0 в цепи АехВ), токи I и I1равны (РИС. 1). На основании закона Ома для замкнутой цепи АВСеАe,Ir0  R0где R0 = Rx + R – сопротивление участка АС цепи (сопротивлением соединительных проводов можно пренебречь). Таким образом,eRxφA  φB  IRx r0  R0или с учётом (5)4ex eRx.r0  R0(6)3ная е вспомогательного источника, можно найти ех. Ввиду непостоянства величины е обычных источников (аккумуляторов, гальванических элементов) и наличия у них неизвестного внутреннего сопротивления r0 приходится отказаться отнепосредственного применения формулы (6), а ввести сравнение с одним и темже эталонным источником.

Таким источником является нормальный элемент,электродами которого служат кадмий и ртуть, а электролитом – насыщенныйраствор сернокислого кадмия. ЭДС нормального элемента eN мало изменяется стечением времени и в интервале комнатных температур практически не зависитот температуры;eN  1,0183 В .Для сравнения элемента ех с элементом eN проводят ещё раз компенсационноеизмерение, заменив исследуемый элемент нормальным элементом. Отсутствиютока в цепи нормального элемента AeNB будет соответствовать новое положениеконтакта В. Тогда согласно (6)eRN,(7)eN r0  R0где RN – значение сопротивления участка АВ, при котором наступает компенсациядля элемента еN. Разделив (6) на (7), получимe x  eNRx.RN(8)Так как участок цепи ABC представляет однородную струну с постоянным сечением (реохорд), то отношение Rx/RN можно заменить отношением соответствующихlдлин x и соотношение (8) примет видlNe x  eNlx.lN3.

Порядок выполнения работы1. Собирают измерительную цепь, представленную на РИС. 3. Вспомогательнымисточником е служит блок питания УБП; АВС – реохорд; Г – гальванометр; К –кнопочный ключ; П – переключатель, позволяющий поочерёдно включать илиэлемент ех или элемент eN; Rбал – балластное сопротивление, необходимое дляпредохранения нормального элемента и гальванометра от излишне большого тока в них в случае отсутствия компенсации (через Г и еN можно пропускать токипорядка 10–5 А).5+ УБП –ВА+RбалПСexГК+ eNРис. 32.

Проверяют правильность включения полюсов всех трёх источников.3. Устанавливают переключатель П в положение при котором включён элементех .4. Замыкают на короткое время ключ К и наблюдают отклонение стрелки гальванометра. Перемещают контакт В, при каждом новом его положении замыкают накороткое время ключ К. Так продолжают до тех пор, пока стрелка гальванометране остановится на нуле.5. При достижении компенсации записывают значение lx длины участка АВ струны.6. Опыт проделывают 5 раз. Для учёта погрешности, связанной с неточностьюкомпенсации, сначала добиваются компенсации перемещением контакта слеванаправо. Далее, нарушив компенсацию, вновь находят положение контакта, прикотором ток в гальванометре равен нулю, только теперь путём перемещения контакта справа налево.7. Повторяют для элемента еN все действия, указанные взначения lN.ПП. 4-6и записывают4.

Обработка результатов измеренийе  2 В; eN = 1,0183 ВТаблица 1№ п/пlх, ммlN, ммex, ВСреднее1. Находят средние значения lх и lN.2. По средним значениям с помощью формулы (7) вычисляют ЭДС элемента ех.3. Рассчитывают случайные погрешности измерения lх и lN. По обычным правилам рассчитывают погрешности Δlх и ΔlN:22lx  lx 2сл  lx приб; lN  lN 2сл  lN приб.6Погрешность косвенного измерения ЭДС определяют из формулы:2e x  e x2 eN   lN   lx    eN   lN   lx 24. Чертят график распределения потенциала вдоль участка цепи АехВ для случаякомпенсации.Дополнительное заданиеа) Измерить ех непосредственно с помощью вольтметра, сравнить полученныйрезультат с результатом измерения ех компенсационным методом и объяснитьпричину расхождения.б) Ответить на вопрос: в каком случае для измерения ЭДС можно использоватьвольтметр.в) Нарисовать график распределения потенциала вдоль участка АехВ в отсутствиекомпенсации для случаев, когда стрелка Г отклоняется влево и вправо от нуля,считая, что сопротивлением проводов и гальванометра можно пренебречь.5.

Контрольные вопросы1. Что называется ЭДС источника? Что такое нормальный элемент?2. В чём сущность метода компенсации? Чем компенсируется ЭДС, на какомучастке? Укажите, на каком участке цепи в момент компенсации нет тока.3. Сформулируйте обобщённый закон Ома для участка и для замкнутой цепи.Запишите его для участков АехВ и ARxB в отсутствие компенсации и в моменткомпенсации.4. Почему должно быть выполнено условие е > еx (еN).

С какой целью в цепь Гвключено балластное сопротивление?.