Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

РАБОТА № 210

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА КОМПЕНСАЦИИ И ПРИМЕНЕНИЕ ЕГО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МАЛЫХ ЭЛЕКТРОДВИЖУЩИХ СИЛ

Теория

Кулоновские и сторонние силы. Электродвижущая сила.

Электроны и ионы в проводниках создают электростатическое поле, называемое полем кулоновских сил. Кулоновские силы взаи­модействия между зарядами всегда приводят к такому перераспределению свободных зарядов, при котором электрическое поде в проводнике исчезает, а потенциалы во всех точках выравниваются. Поэтому поле кулоновских сил не может вызвать стационарный процесс упорядоченно­го движения зарядов, т.е. не может являться причиной возникновения постоянного электрического тока.

Для поддержания постоянного тока в цепи на свободные заряды должны действовать, помимо кулоновских сил, так называемые с т о р о н н и е с и л ы.

Если кулоновские силы вызывают соединение разноименных зарядов, что ведет к выравниванию потенциалов, то сторонние силы вызывают разделение разноименных зарядов и поддерживают разность потенциалов на концах электрической цепи. Добавочное электрическое поле - поле сторонних сил в цепи - создается источниками тока (гальваническими элементами, аккумуляторами, электрическими генераторами). Перемещая электрические заряды, сторонние силы совершают работу за счет энер­гии, затрагиваемой в источнике тока. Так, например, в электромагнитном генераторе тока (динамо машине) работа сторонних сил соверша­ется за счет механической работы, затрачиваемой на вращение ротора генератора. В гальванических элементах эта работа совершается за счет энергии, которая выделяется при химических процессах растворе­ния электродов в электролите.

Величина, численно равная работе сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда из точки I в точку 2 электрической цепи, называется электродвижущей силой источника тока ε , включенного на этом участке цепи, т.е.

ε =/Естор./·|dl |·Cos(Eстор.,dl),

где Eстор - вектор напряженности поля сторонних сил.

Величина, численно равная работе кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда на участке цепи между точками I и 2, называется разностью потенциалов на этом участке цепи , т.е

=/Екул./·|dl|·Cos(Eкул.,dl),


где, Екул.- вектор напряженности поля кулоновских сил.

Под действием кулоновских сил положительный заряд перемешается от более высокого к более низкому потенциалу. Работа кулоновских сил при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю, т.е. поле кулоновских сил является полем потенциальным.

Под действием сторонних сил положительный заряд перемешается от более низкого к более высокому потенциалу.

Поле сторонних сил не является полем потенциальным, т.е. рабо­та сторонних сил по перемещению заряда по замкнутому контуру не равна нулю. Следовательно, работа по перемещению заряда по замкнутой цепи совершается лишь сторонними силами, а на отдельных участках цепи как сторонними, так и кулоновскими силами.

Величина, численно равная сумме работ сторонних и кулоновских сил по перемещению единичного положительного заряда на данном участке цепи, называется напряжением, т.е.

 U12= ε +

По закону Ома для участка цепи напряжение численно равно произведению силы тока J на сопротивление участка цепи R , т.е.

 U12= J R12= ε +

Для замкнутой цепи = 0, а R12=R=r - сопротивление всей цепи, где r - сопротивление внутреннего участка цепи (сопро­тивление источника тока), R- сопротивление внешнего участка цепи, т.е.

 ε = J (R+r)= J R+Jr=Uвнеш.+Uвнутр.

- закон Ома для замкнутой цепи.

Присоединение вольтметра к полюсам источника тока (рис.1) соз­дает замкнутую цепь, для которой R = Rv - сопротивление вольтметра. Согласно закону Ома для замкнутой цепи:

Uвнеш.=JRv=ε-Jr, т.е. показание вольтметра (Uвнеш.= JRv) отличается от ЭДС источника тока на величину Uвнутр.= J·r .

В тех случаях, когда сопротивление вольтметра велико Rv>>r (например, для лампового вольтметра), ток в цепи вольтметра мал и Jr 0, т.е. показание вольтметра  можно считать за величину ЭДС источника тока. При точных измерениях ЭДС применяются  специальные методы, например, метод компенсации.

§ 2. Описание метода компенсации. Принципиальная схема измере­ний ЭДС методом компенсации изображена на рис.2.

 

 Рис.2

 В схеме два элемента с электродвижущими силами ε и ε х и внутренними сопротивлениями r и rx присоединены к некоторому со­противлению R=Rx + R1 (Rx и R1 - соответственно сопро­тивления участков АВ и ВС) и гальванометру G с сопротивлением RG.

Обозначим через J, Jo, Jx токи идущие в отдельных участ­ках схемы. Если ε х < ε, то на сопротивлении R всегда можно найти такую точку В, что в ветви АGВ тока не окажется, и стрелка гальванометра G будет стоять на нуле. По второму закону Кирхгофа для контура АВGА можно написать

 Jx (rx + RG ) + J Rx = εх

Когда ток через гальвонометр  JG =0, то

 J Rx = εх . (1)

Полученное условие означает, что сила тока в цепи элемента εх лишь тогда ра^на нулю, когда напряжение на участке цепи АВ, параллельно которому присоединен этот элемент, равно его электродвижущей силе. В подобных случаях тшнято говорить о взаимной компенсации напряжения и ЭДС.

Введем в схему вместо элемента εх элемент εN и вновь до­бьемся отсутствия тока в цепи гальванометра и этого элемента при сопротивлении участка цепи АВ/' равном некоторому значению RN . Теперь выражение (1) можно записать в таком виде

  J RN = εN . (2)

Разделив соотношение (1) на (2), получим

 εх = εN Rx / RN . (3)

Если ЭДС εN известна, например, если это нормальный элемент (нормальный элемента- гальванический элемент, который при постояной температуре и давлении дает устойчивую ЭДС), то, зная Rx , RN и εN можно найти из последнего равенства ЭДС εх. Таким образом, сравнение электродвижущих сил двух элементов практически сводится к сравнению двух сопротивлений.

Метод компенсации для измерения ЭДС обладает рядом существенных достоинств. Во-первых, сила тока через сравниваемые элементы в момент компенсации равна нулю. Поэтому отсутствует напряжение в элементе, и разность потенциалов на полюсах элемента равна измеряе­мой ЭДС. Кроме того, отсутствует также и падение напряжения на под­водящих проводах. Во-вторых, величина ЭДС вспомогательной батареи ε не входит в окончательный результат. Необходимо только, чтобы она оставалась постоянной в продолжении измерения, а также превыша­ла значения ЭДС сравниваемых элементов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ  ЧАСТЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ N110. 

Измерение малых э.д.с. с помощью потенциомтетра постоянного тока ПП-63.

Потенциометр постоянного тока ПЛ-63 класса 0,05 (ГОСТ 9245-68)
предназначен для непосредственного измерения компенсационным методом э.д.с. .

Измеряемая э.д.с. (“х”) включается навстречу известному падению напряжения на части измерительного сопротивления R26 – R50 (см.рис.3), которое возникает при прохождениию по нему строго опреде­ленного рабочего тока 2 мА.

 Рис.3.

Компенсация проводится ступенчатым переключателем В8 и плавно реохордом R50. Установка рабочего тока производягея по ЭДС нормального элемента НЭ, которая сравнивается с падением напряжения на установовчном резисторе R17. Компенсация проводится регулировкой рабочего тока при помощи резисторов R15 и R16.

Индикатором компенсации слукит гальванометр ИП, который включается либо в цепь НЭ (при каллбровке - "К"), либо в цепь измерения ЭДС (при измерении - "И")

ОПИСАНИЕ ПАНЕЛИ ПРИБОРА

На панели прибора смонтированы: (примечание – элементы, отмеченные звездочкой на панели принципиальной схеме не показаны.

1) Гальванометр магнитоэлектрической системы (ИП);

 2) Кнопки "Грубо" и "Точно" для включения гальванометра (Кн2 и Кн1);

Переключатель измерительного сопротивления на 24 положения;

Реохорд измерительного сопротивления ( R50);

5) Штепсельный переключатель пределов потенциометра на 3 положения (В60)*;

6) Переключатель "Род работы" на 7 положений В2*;

7) Переключатель В1*;

8) Зажимы "X" для подключения измеряемых Э.Д.С. (К5 и Кб);

9) Переключатель В10*;

10) Переключатель В7*;

11) Зажимы "ВП" для подключения наружной батареи потенциометра (КЗ

и К4) ;

 12) Регулировочное сопротивление имеющее две рукоятки для грубой

(меньшая рукоятка - R 15) и точной (большая рукоятка - R 16) регулировки рабочего тока;

 13) Переключатель нормального элемента ВЗ* ;

14) Выключатель питания В5;

Переключатель полярности потэнциометра В9;

Переключатель схемы потенциометра В4.

ПОРЯДОК ПОДГОТОВКИ К ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

Перед началом работы органы управления и регулировки должны находится в следующих положениях:

Переключатель питания прибора В5 - в отключенном (нижнем положении); Переключатели В7 и ВЮ в положении "Н";

Переключатели ВЗ в положении "В"; .

Переключатели В9 в положении "+" ;

Переключатель "Род работы" в положении "Потенциометр";

 Штепсель переключения пределов В6 в гнезде "х1"

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Включать сетевой щиток.

Подключить измеряемую э.д.с., соблюдая полярность к зажимам "X".

Установить переключатель питания В5 в положение "ВКЛ".

Провести контроль рабочего тока потенциометра, для чего:

 а) установить переключатель В4 в положение "К",

  б) нажать кнопку "Грубо" (кн2) и врапением меньшей рукоятки регулировочного сопротивления "Рабочий ток"(R15)  установить
стрелку гальванометра на "0”,

 в) нажать кнопку "Точно" (кн1) и вращением большей рукоятки регулировочного сопротивления “Рабочий ток” (R16) установить
стрелку гальванометра на "0”.

5. Провести измерения, дня чего:

 а) установить переключатель В4 в положение "И",

 б) нажать кнопку "Грубо" и вращением рукояток переключателя
(В8) и реохорда (R50) измерительного сопротивления установить стрелку гальванометра на"0”,

  в) нажать кнопку "точно" и вновь установить стрелку гальваномет­ра на "0" вращением реохорда (К 50),

г) значение Э.Д.С. будет равно стаю показаний шкал переключате­ля В8 и реохорда R50.

Измерение Э.Д.С. (εх) произвести три раза и найти среднее арифметическое значение. Результаты измерений занести в таблицу.

Выполнив работу, отключить потенциометр от сети .

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое э.д.с.?

2. Можно ли измерять э.д.с. обычным вольтметром?

Метод компенсации . 

Правила Кирхгофа

Принцип работы потенциометра ПП-63

ЛИТЕРАТУРА

1.  Б.М.Яворский и др. Курс физики, т.2

А.В.Кортнев и др. Практикум по физике, изд. 1965

Н.Н.Майсова. Практикум по курсу общей физики

Физический практикум под редакцией В.И.Ивероновой

Лабораторная работа № 5

ПОПЕРЕЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ СТРУНЫ

Цель работы: определение собственных частот колебаний струны с закрепленными концами.

Оборудование: струна с закрепленными концами, звуковой генератор, набор грузов.

Основание к допуску

Иметь краткий конспект теоретической части и практического выполнения работы.

Знать порядок выполнения лабораторной работы.

Основание к зачету

Иметь оформленный отчет.

Ответить на вопросы:

Приведите вывод рабочей формулы.

2) Как частота поперечных колебаний струны зависит от силы натяжения струны?

Какая частота называется основным тоном?

Какие волны называются стоячими?

Что называется узлами стоячей волны?

Краткая теория

Объектом исследования в данной лабораторной работе является стальная струна, натянутая между двумя точками ее закрепления. Составим уравнение колебаний струны. Для простоты рассуждений будем рассматривать малые колебания струны, такие, что ее длину можно считать постоянной.

Рис. 6

Возьмем малый элемент струны, которому соответствует отрезок на оси «Х» (рис. 6). Мгновенный профиль струны зададим функцией , определяющей отклонение ее элементов от положения равновесия.

Найдем вертикальную составляющую силы F, действующей на выделенный элемент струны. Очевидно, что

         .                         (5.1)

Так как мы рассматриваем малые колебания,

                                                                            (5.2)

и тогда

.                 (5.3)

Запишем второй закон Ньютона для элемента струны

,                                                 (5.4)

где dm – масса элемента струны.

Так как , а , то

.                                     (5.5)

Полученное уравнение можно преобразовать к виду

,                                                  (5.6)

где .

Покажем, что полученное уравнение описывает стоячие колебания струны. Для этого его решение запишем в виде

.                                               (5.7)

Подстановка этого решения в уравнение (5.6) приводит к следующему уравнению

.                                      (5.8)

Решение уравнения (5.8) ищется в виде

,                              (5.9)

где А, В – постоянные интегрирования.

Так как струна закреплена в точках , то это значит, что

.                                              (5.10)

Из первого условия (5.10) следует, что ; второе условие приводит к соотношению

,                                                         (5.11)

которое имеет решения при

,                                                          (5.12)

где  .

Отсюда можно найти

.                                                   (5.13)

 Это уравнение определяет частоты собственных колебаний струны с закрепленными концами. Частота соответствующая  называется основным тоном, а остальные - обертонами.

Порядок выполнения работы

                Экспериментальная установка представляет собой стальную струну длиной L закрепленную в двух точках (рис. 7). Натяжение струны осуществляется грузами. Поперечные колебания струны возбуждаются с помощью телефона, питаемого от звукового генератора.

Включить генератор в сеть и дать ему прогреться.

Нагрузить струну грузом массой m и по формуле (5.13) рассчитать теоретическое значение частоты основного тона струны (при n = 1).

Плавно изменяя частоту генератора и достигая резонанса в колебаниях струны определить частоту основного тона на опыте. Сравнить полученные значения, вычислив погрешность по формуле: .

Опыт повторить не менее пяти раз при различных значениях массы грузов.

Сделать вывод.


Изучение цепи переменного тока