МУ-Э-60 (1003804), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Верно также,что за это время он полностью зарядится.3. Измерение энергии электрического поля конденсатора калориметромКалориметр – прибор для измерения количества теплоты, выделяющейся или поглощающейся в к.-л. физическом, химическом или биологическом процессе. Конструкциикалориметров разнообразны и определяются характером изучаемых процессов.В данной работе с помощью калориметра измеряют энергию заряженного конденсатора и проверяют зависимость энергии от напряжения.Калориметр содержит три основных элемента:• нагреватель (резистор), через который разряжают конденсатор и в котором электрическая энергия конденсатора полностью превращается в теплоту;• нагреваемое калориметрическое тело;• термометр для измерения приращения температуры тела, пропорционального количеству выделившейся теплоты.В калориметре, разработанном на кафедре физики МГТУ им.
Баумана [4], используется специальная лампа (рис. 5), которую будем называть калориметрической лампой,или калориметром. В стеклянном баллоне Б с разреженным газом находится нагреваемоекалориметрическое тело КТ, содержащее электрический нагреватель Н и электрическийтермометр - терморезистор ТР.Терморезистор представляет собой крошечную бусинку из полупроводника с двумя металлическими выводами.
Сопротивление терморезистора сильно зависит от температуры – при возрастании температуры на 1 оC сопротивление уменьшается на несколькопроцентов. Поэтому малые изменения температуры легко измерять терморезистором.Размер нагреваемого калориметрического тела всего примерно 1 мм, поэтому еготеплоемкость и тепловая инерция очень малы.Разряд конденсатора происходит практически мгновенно. Выделившаяся теплота Qбыстро ”перемешивается” по нагреваемому сплошному телу. За малое время перемешивания теплота не уходит наружу, а только повышает температуру тела на величину ∆ T.
Теплота и приращение температуры связаны соотношениемQ = CT∆T,6(16)где CT, Дж/К, – теплоемкость нагреваемого тела калориметра.БКТНТРРис. 5. Калориметрическая лампа: Б – стеклянный баллон; КТ –калориметрическое тело размером примерно 1 мм; Н – нагревательная спираль; ТР – терморезистор (термометр).При малых ∆T приращение сопротивления терморезистора пропорционально изменениютемпературы∆R = α∆T,(17)где α – коэффициент пропорциональности.Небольшое изменение сопротивления ∆ R преобразуют с помощью специальнойэлектрической схемы в «сигнальное» напряжение n, пропорциональное изменению сопротивленияn = β∆R.(18)Сигнальное напряжение после усиления измеряют аналоговым (стрелочным) прибором,его считывают в делениях шкалы n.Объединяя формулы (16) – (18), получимQ = k n,где k = CT / (α β) – коэффициент пропорциональности.Поскольку теплота равна энергии конденсатора W, имеемW = Q = k n.(19)Сигнальное напряжение n - есть энергия конденсатора в условных единицах, которые после градуировки пересчитывают в джоули.
Для этого конденсатор емкости C, заряженный до напряжения U, разряжают через нагреватель калориметра и измеряют n. Тогдаk находят из формулыW = CU2 /2 = k n.(20)Для проверки формулы (14) измеряют n при различном напряжении U конденсатора, по формуле (19) вычисляют энергию в джоулях и строят графическую зависимость Wот U2. Эта зависимость должна быть линейной.7ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬЛабораторная установка состоит из калориметра, источника питания и несколькихэлектрических схем (пронумерованных блоков) для выполнения заданий.Задание 1.
Продемонстрировать процессы зарядки и разрядки конденсатора, атакже наличие энергии в заряженном конденсаторе.Ознакомиться с установками.В этом задании используется блок № 3. Конденсатор большой емкости (C = 0,022Ф) заряжают и разряжают через лампу накаливания (24 В х 0,1 А). Лампа ограничиваетток, служит индикатором тока, а ее свечение при разряде конденсатора демонстрирует наличие энергии, запасенной в конденсаторе.Блок питания (№ 2) состоит из двух последовательно включенных источников. Напряжение каждого из них можно изменять от 0 до 15 В ручками «ГРУБО» и «ТОЧНО» иизмерять встроенным вольтметром.
Выходное напряжение блока на проводниках с вилками равно сумме показаний двух вольтметров.Блок питания соединяют с блоком №3 (или другими устройствами) двумя проводниками с вилками; красный провод имеет полярность « + ».Внимание! Перед подключением (или отсоединением) блока питания от схемснять напряжение на выходных проводах тумблером «ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ», невыключая сетевого питания источников.Порядок выполнения задания.1.
По правилам техники безопасности источники питания должны быть заземлены.Клемма заземления находится на крепежной доске слева. Проверить наличие заземления.При его отсутствии - обратиться к дежурному.2. Выключить тумблер «ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ».3. Подключить источник к входным гнездам блока № 3.
Красный провод долженбыть соединен с клеммой «+» блока № 3 (Примечание: конденсаторы большой емкости,называемые электролитическими, работают при определенной полярности на обкладках).4. Тумблер в блоке № 3 установить в положение «РАЗРЯДКА».5. Включить сеть двух источников кнопками «СЕТЬ».6. Ручками «ГРУБО» и «ТОЧНО» установить суммарное напряжение двух источников 24 В.7. Включить тумблер «ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ».8. В блоке № 3 установить тумблер в положение «ЗАРЯДКА». При этом через лампу начинает протекать зарядный ток, по яркости свечения лампы можно судить о величине тока. Объяснить, почему в процессе зарядки сила тока убывает?После того, как свечение лампы прекратится, небольшой зарядный ток еще некоторое время протекает. Поэтому до полной зарядки продолжать процесс в течение примерно двадцати секунд.9.
Переключить тумблер в положение «РАЗРЯДКА» и наблюдать свечение лампыза счет энергии конденсатора при его разрядке. При этом источники питания не работают,в чем можно убедиться, выключив тумблер «ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ».10. Повторить опыт. Измерить время, в течение которого наблюдается свечениелампы при зарядке и при разрядке конденсатора.
Результаты записать в табл. 1.Таблица 1Характеристики демонстрационной установкиq = C U , КлW, ДжПримерное время зарядки (разрядки), с8τ = R C, с11. Вычислить максимальные значения заряда q и энергии W конденсатора в опыте.Результаты записать в табл. 1.12. Вычислить постоянную времени τ (см. (15)). Считать, что сопротивление лампыне зависит от силы тока. Результаты записать в табл. 1.13. Сравнить расчетное время τ с измеренным. Сделать выводы.Задание 2. Ознакомиться с калориметром.Электрическая схема калориметра показана на рис.
6. Внутри крошечного калориметрического тела КТ находятся нагреватель Н сопротивлением 100 Ом и терморезисторaR3R1R4R5KTcdИСТУПТR2СРbНТРРис. 6(термометр) ТР сопротивлением 33 кОм. Терморезистор включен в схему, содержащуючетыре плеча из резисторов, источник питания «ИСТ», усилитель постоянного тока«УПТ» и показывающий прибор Р.
Эта схема преобразует небольшое изменение сопротивления ТР при нагревании калориметра в выходной сигнал калориметра.Схема работает следующим образом. Перед каждым измерением энергии конденсатора показывающий стрелочный прибор должен быть на нуле. Этого добиваются вращением ручек «УСТАНОВКА НУЛЯ» (грубо и точно), которыми изменяют сопротивление переменных резисторов R4 и R5 настолько, чтобы потенциалы точек c и d сталиодинаковыми.Затем конденсатор C разряжают через нагреватель Н, температура калориметра повышается на ∆ T, а сопротивление ТР уменьшается на ∆ R.
Вследствие этого потенциалточки c понижается, а точки d остается неизменным (потенциал отсчитываем от точки b).Поэтому между точками c и d возникает сигнальное напряжение. При разряде конденсатора стрелка показывающего прибора быстро отклоняется, максимальное отклонение n (вделениях шкалы) записывают. Оно пропорционально энергии конденсатора. Сразу послеотклонения стрелка возвращается назад, поскольку калориметр охлаждается.9Порядок выполнения задания.1. Ознакомиться с калориметром (блок №1). Калориметрическая лампа 1 расположена в камере с прозрачной крышкой (рис. 7).
Нагреватель калориметра соединяют с конденсатором кабелем с разъемом 2. Ручками 5 «УСТАНОВКА НУЛЯ ГРУБО И ТОЧНО»453621Рис. 7. Внешний вид блока №1: 1 – калориметрическая лампа; 2 – разъем дляподключения нагревателя к конденсатору; 3 – установка нуля (редкая регулировка); 4 – показывающий прибор; 5 – установка нуля (грубо и точно); 6 – сетевой тумблер с индикаторной лампойвыставляют показывающий прибор 4 на нуль. Тумблером 6 «СЕТЬ» включают питаниеприбора.Примечание: если ручками 5 нуль установить не удается, выставить их в среднееположение и воспользоваться дополнительной регулировкой 3 с помощью отвертки.2.
Вставить сетевую вилку в розетку и включить тумблер «СЕТЬ», при этом должназагореться индикаторная лампа.3. Ручками «УСТАНОВКА НУЛЯ» добиться нулевого показания прибора 4.Задание 3. Выполнить градуировку калориметра.Градуировка калориметра заключается в нахождении связи между показаниями регистрирующего прибора и энергией конденсатора (см. (19), (20)).Порядок выполнения задания.1. Ознакомиться с блоком № 4 и его схемой, приведенной на блоке и на рис.8. Онсодержит конденсатор емкости C = 22 мкФ, гнезда “U” для подключения источника напряжения, разъемы «ВЫХОДЫ НА КАЛОРИМЕТР 1 и 2» для подключения к блоку нагревателя Н калориметра, зарядное сопротивление R = 100 Ом и переключатель на четыреположения.
Для ознакомления с устройством типичного конденсатора он показан в разобранном виде.2. На блоке питания выключить тумблер «ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ».3. Подключить: а) источник питания к гнездам “U ” блока №4; б) провода от калориметра – к разъему «ВЫХОДЫ НА КАЛОРИМЕТР 2».10ТРН12Выходы накалориметрRU1234CРис. 8. . Схема блока №4: C = 22 мкФ; R = 100 Ом; Н – нагреватель калориметра; ТР – терморезистор; U = 0…30 В – напряжение источника.4. Установить поворотный переключатель блока №4 в положение 3.5.
Установить напряжение источника в интервале U = 25…30 В. Напряжение измерять двумя вольтметрами источников и суммировать их показания. Такое же напряжениебудет на заряженном конденсаторе. Включить тумблер «ВЫХОДНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ»блока питания.6. Ручками «УСТАНОВКА НУЛЯ» добиться нулевого показания прибора калориметра.7. Разрядить конденсатор через калориметр и заметить максимальное отклонениестрелки показывающего прибора в числе делений n. Для этого переключатель блока №4перевести в положение 4.
Значения U и n записать в табл. 2.Примечание: если показывающий прибор калориметра «зашкаливает», уменьшитьнемного напряжение на конденсаторе.Таблица 2Градуировка калориметраU, Вn, делk, Дж/дел<k>, Дж/делПримечание: таблица должна содержать 3 строки8. Повторить измерение (п.п. 6, 7) два раза. Перед каждым новым измерением выждать примерно полминуты для охлаждения калориметра и установить нуль.9. По результатам измерений вычислить по формуле (20) значение k, взяв емкостьконденсатора в фарадах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
