МУ-Э-60 (1003804), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Вычислить среднее <k>. Результаты записать в табл. 2.Задание 4. Изучить зависимость энергии конденсатора от напряжения.Порядок выполнения задания.111. Задание выполняют с блоком № 4. Последовательность действий такая же, как взадании 3. Напряжение на конденсаторе уменьшать от 30 В до 8 В с шагом 3…4 В. Результаты измерения U и n записать в табл. 3.Таблица 3Энергия конденсатораU, ВU2, В2n, делW, ДжПримечание. Таблица должна содержать примерно 7 строк.2. По результатам измерений: а) вычислить U2; б) вычислить W по формуле W =<k> n.
Результаты записать в табл. 3.3. Построить на миллиметровой бумаге графическую зависимость W от U2. Черезотчетливо нанесенные экспериментальные точки и начало координат провести наилучшую «на глаз» прямую.4. Полученные результаты сравнить с (14). Сделать выводы.Задание 5. Измерить КПД емкостного накопителя энергии.Конденсатор часто используют в качестве накопителя электрической энергии, например, в фотографической лампе – вспышке. В ней сначала заряжают конденсатор в течение нескольких секунд от источника тока малой мощности, а затем накопленная энергия выделяется за сотую долю секунды в газоразрядной лампе, которая дает кратковременное, мощное световое излучение.При зарядке конденсатора ток проходит по цепи, имеющей сопротивление.
В результатев проводах и в резисторе (если он имеется) выделяется теплота Джоуля-Ленца Q. ТеплотаQ - это потери энергии в работе накопителя. КПД процесса зарядки конденсатора равенη = W / (W +Q),(21)где W – энергия конденсатора.Вывод теоретической формулы для КПД. Пусть в конденсаторе емкости C накоплен заряд q при напряжении U. При этом энергия конденсатора W = qU /2 (см. (14)).
Энергия конденсатора и теплота получены за счет работы сторонних сил источника, равнойпроизведению заряда на ЭДС E источникаAстор= qE = W + Q.Тогда КПДη = W / Aстор = (qU/2) / (qE) = U / (2E).(22)Как видно из вывода, КПД не зависит от сопротивления цепи (от него зависят силазарядного тока и время зарядки). Наибольший КПД, равный η = 0,5, будет в случае полной зарядки конденсатора, до ЭДС источника: U = E.Таким образом, в емкостном накопителе энергии половина (или больше) работыисточника тока бесполезно теряется на теплоту.Порядок выполнения задания.1. Для нахождения КПД измеряют калориметром энергию конденсатора W и теплоту Q в цепи зарядки. Опыт выполняют с блоком №4 принапряжении источника примерно 25 В.2.
Измерить энергию конденсатора W, как это выполнялось в задании 4. Результатыизмерения U и n записать в табл. 4. Вычислить W по формуле W = <k> n.12Таблица 4КПД емкостного накопителя энергииU, Вn, делW, Джn1, делQ, ДжКПД η3. До сих пор мы измеряли энергию конденсатора, разряжая его через нагревателькалориметра. Теперь поступим иначе – будем заряжать конденсатор, пропуская зарядныйток через нагреватель калориметра. В этом случае будет измерена теплота Q, выделившаяся в зарядной цепи.4. Подключить калориметр к разъему «ВЫХОДЫ НА КАЛОРИМЕТР 1».5. Разрядить конденсатор, установив переключатель в положение 1.6.
Повернуть переключатель в положение 2, при этом пойдет зарядный ток черезнагреватель калориметра и стрелка отклониться на n1 делений. Результат измерения n1 записать в табл. 4.7. Вычислить Q = <k> n1.8. Вычислить КПД по формуле (21). Результат записать в табл. 4.9. Сравнить полученный результат с теоретическим значением (22).
Сделать выводы.Задание 6. Изучить изменение электрической энергии заряженных и отключенныхот источника тока конденсаторов при изменении емкости системы.Теория. Рассмотрим случай, когда конденсатор емкости C1 имеет заряд q и отключен от источника тока. Энергия конденсатора W1 = q2 / (2C1) (см. (14). Будем изменять емкость конденсатора в заряженном состоянии. При этом заряд будет оставаться неизменным. При другой емкости, C2, энергия конденсатора W2 = q2 / (2C2). Отношение энергийW2 / W1 = C1 / C2.(23)Из (23) видно, что при уменьшении емкости энергия конденсатора возрастает, апри увеличении емкости – энергия уменьшается.Рассмотрите механизм изменения электрической энергии (рис.
9). В случае плоского воздушного конденсатора, расстояние между пластинами которого будем изменять(рис. 9, а), объяснитьC1C2баРис. 9- за счет какой энергии возрастает энергия конденсатора при уменьшении емкости,т.е. при увеличении расстояния между обкладками?13- в какой вид энергии переходит электрическая энергия при возрастании емкостиконденсатора, т.е. при сближении обкладок?Обсудим другой вариант изменения емкости, который выполняют в данной работе(рис. 9, б): к заряженному конденсатору емкости C1 подключают незаряженный конденсатор емкости C2. В этом случае часть заряда перейдет на второй конденсатор.
При этомсуммарный заряд q сохранится и будет находиться в двух конденсаторах суммарной емкости C = C1 + C2 . Полная энергия двух конденсаторов W2 = q2 / (2 (C1 + C2)). И в этом случае, как и в (23), отношение энергий обратно отношению емкостейW2 / W1 = C1 / (C1+C2).(24)Из (24) видно, что электрическая энергия системы уменьшилась.
Объяснить, в какую форму энергии и как перешла энергия электрического поля при соединении конденсаторов?Порядок выполнения задания. Задание выполняют с блоком № 5.1. Ознакомиться с электрической схемой (рис. 10). Схема содержит: два конденсатора одинаковой емкости C1 = C2 = 22 мкФ; гнезда «U» для подключения источника питаRU=25 … 30 ВSA1 12SA3C2SA2C13Рис. 10. Схема блока №5: оба конденсатора имеют емкость 22 мкФния; разъем «ВЫХОД НА КАЛОРИМЕТР» для подключения схемы к нагревателю калориметра; тумблер SA1 на три положения; тумблер SA2 на два положения и кнопочныйвыключатель SA3, который замкнут в утопленном положении.2.
Опыт будет выполняться в следующей последовательности. Сначала заряжаютконденсатор C1 и измеряют его энергию. Затем его снова заряжают, подключают к немунезаряженный другой конденсатор и измеряют суммарную энергию двух конденсаторов.3. Тумблер SA2 отключить. Установить переключатель SA1 в положение 1 для зарядки конденсатора C1. Подать на схему напряжение около 25 В и зарядить конденсатор.4.
Установить переключатель SA1 в положение 3, при этом конденсатор C1 разрядится через калориметр, а стрелка показывающего прибора отклонится на n1 делений. Результат измерения n1 записать в табл. 5.Таблица 5n1, делn2, делW2/W1= n2 / n15. Снова зарядить конденсатор C1, установив переключатель SA1 в положение 1.Отключить его от источника питания, переведя переключатель SA1 в положение 2. Нажатьна секунду кнопку SA3 и разрядить конденсатор C2, который может оказаться в заряжен-14ном состоянии. Включить тумблер SA2 и присоединить незаряженный конденсатор к заряженному.6. Переключить SA1 перевести в положение 3 и измерить суммарную энергию двухконденсаторов.
Отклонение стрелки прибора (n2) записать в табл. 5.7. Вычислить отношение W2 / W1, равное отношению n2 / n1. Результаты записать втабл. 5.8. Сравнить полученный результат с расчетом по формуле (24). Сделать выводы.Задание 7. Измерить емкость конденсатора.Известно много методов измерения емкости.
Ясно, что емкость можно измерить спомощью калориметра.Опыт выполняют с блоком № 6, который содержит конденсатор неизвестной емкости, переключатель «ЗАРЯДКА-РАЗРЯДКА», гнезда “U”для напряжения (примерно 30В) и разъем для калориметра. Результаты измерения записать в табл. 6.Таблица 6Измерение емкости конденсатораU, Вn, делW, ДжC, ФВНИМАНИЕ! Выключить сетевое питание всей установки.1.2.3.4.5.6.7.8.Контрольные вопросыЧто такое электрическое поле и его напряженность?Каким свойством обладает потенциальное электрическое поле?Что такое потенциал и напряжение?Чему равна энергия системы точечных зарядов?Что такое конденсатор и его емкость?Чему равна энергия заряженного конденсатора?Написать выражение для объемной плотности энергии электрического поля.Каково устройство калориметра? Объяснить методику измерения энергии конденсатора.Список рекомендуемой литературы1.
Калашников С.Г. Электричество: Учебное пособие. –М.: Наука. 1985.-576с.2. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2.- М.: Наука. 1978.-480 с.3. Иродов И.Е. Основные законы электромагнетизма: Учеб. Пособие для вузов. –М.:Высш. Шк., 1983.-279 с.4. Фетисов И.Н. Измерение энергии стационарных электрического и магнитного полейс помощью калориметра.
Шестая международная конференция ”Физика в системесовременного образования” (ФССО-01): Тез. доклада, том 2. Ярославль: Изд-во ЯГПУ им. К.Д. Ушинского, 2001.15.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
