Дослідження залежності потужності споживача від наруги на затискачах

 

Мета роботи: виявити залежність потужності споживача від напруги на його затискачах.

Завдання:

1. Дослідити залежність потужності споживача від напруги на його затискачах.

2. Виявити залежність ККД джерела від зовнішнього опору.

Обладнання та інструменти: джерело струму, реостат, резистор відомого опору, амперметр, вольтметр, ключ, з’єднувальні провідники.

Вказівки на теоретичний матеріал:

1. Закон Ома для повного кола.

2. Робота і потужність струму.

3. ККД струму.

 

Теоретичні положення

Потужність — робота, що виконана за одиницю часу, або енергія, передана за

одиницю часу.

Потужність струму:

P = IU (1)

Корисна потужність — потужність, що віддається пристроєм у певній формі та з певною метою.

Коефіціє́нт ко́ри́сної ді́ї - відношення виконаної роботи до загальних енергетичних затрат на її виконання. Безрозмірна велична, яка вимірюється у відсотках. Є важливою характеристикою машин та двигунів.

При виконанні будь-якої корисної роботи, частина зусиль витрачається на подолання опору й втрачається, переходячи у тепло. Проходження електричного струму через провідник теж супроводжується нагріванням провідника, при цьому втрачається частина корисної енергії.

Рисунок 1. Схема електричного кола для вивчення залежності потужності споживача від напруги на затискачах

Рисунок 2. Схема електричного кола для вивчення залежності ККД джерела струму

ККД електричного кола:

(2)

Порядок виконання роботи

Перед початком виконання роботи: визначити ціну поділки шкали кожного вимірювального приладу, накреслити схеми електричного кола для кожного з завдань.

Завдання 1. Дослідити залежність потужності споживача від напруги на його затискачах

1. Зібрати електричне коло, зображене на рис. 1.

2. Виміряйте кілька разів силу струму на лампі та напругу на ній, змінюючи положення повзунка реостату.

3. Для кожного досліду визначте фактичну потужність лампи та порівняйте її з номінальною.

Таблиця 1.1

№ п/п	Сила струму І, А	Напруга U, В	Потужність лампи, Вт
фактична Рф	номінальна Рн
…

4. Побудувати графік залежності напруги від сили струму та за графіком експериментально визначити потужність лампи. Порівняти іі з фактичним значенням.

5. Розрахувати похибки вимірювань.

Таблиця 1.2

Ісер, А	ΔІ, А	Uсер, В	Δ U, В	Рф сер, Вт	Рф екс, Вт	εРф, %	Δ Рф, Вт	Рф Δ Рф

 

Завдання 2. Визначити залежність ККД джерела струму від зовнішнього навантаження.

1. Зібрати електричне коло, зображене на рис. 1.

2. Переміщуючи повзунок реостата, виміряти значення сили струму та напруги на джерелі струму.

3. Використовуючи отримані дані, розрахувати значення потужності електричного струму за формулою (1) і ККД даного електричного кола за формулою (2).

Таблиця 1.2. Результати вимірів і розрахунків

№ п/п	I, A	U, B	R, Ом	P, Вт	ή, %
…

4. За даними табл. 1.2 побудувати графік залежності потужності струму у зовнішній частині кола від опору зовнішньої ділянки та ККД джерела струму від опору навантаження.

Висновок:

1. Яку фізичну величину Ви визначали? Описати, яким чином Ви це робили.

2. Дати аналіз отриманим даним. Для чого Ви розраховували похибки?

Контрольні запитання

 

1. Що таке потужність струму? Від яких величин він залежить? Формула. Одиниці вимірювання.

2. При якому значенні опору навантаження потужність максимальна? Порівняти цей опір з внутрішнім опором джерела.

3. Що таке номінальна та фактична потужності приладу?

4. Що таке ККД струму та за якою формулою він визначається?

5. Переведіть 1 кВт*год, 36 кВт*год, 5,4 кВт*год у джоулі.

6. Розв’яжіть задачі:

а) Визначити потужність нагрівника електрочайника, якщо в ньому за 10 хв мо-жна закіп’ятити 2 л води, початкова температура якої 20 ⁰С. ККД нагрівника 70 %.

б) Для нагрівання 4,5 л води від 23 ⁰С до кипіння нагрівник споживає 0,5 кВт*год електричної енергії. Чому дорівнює ККД нагрівника?

7. Заповніть таблицю.

Запишіть фізичні величини, які необхідно виміряти, щоб експериментально визначити потужність струму та ККД джерела струму, а також назви приладів, які вам знадобляться.

Фізична величина	Позначення	Одиниці вимірювання	Прилад для вимірювання фізичної величини

 

Лабораторна робота

Послідовне і паралельне з'єднання провідників.

Мета роботи: перевірити закони постійного струму для послідовного та паралельного з’єднань провідників

Завдання:

1. Перевірити закони постійного струму для послідовного з’єднання провідників

2. Перевірити закони постійного струму для паралельного з’єднання провідників

Обладнання та інструменти: джерело струму, амперметр, вольтметр, два резисториз відомим опором, з’єднувальні провідники

Вказівки на теоретичний матеріал:

1. Закони постійного струму

2. Послідовне і паралельне з'єднання провідників

 

Теоретичні положення

Рисунок 1. Схеми для перевірки законів постійного струму при послідовному з’єднанні провідників

 

І = І₁ = І₂ (1)

U = U₁ + U₂ (2)

R = R₁ + R₂ (3)

 

Закон Ома для ділянки кола:

(4)

Звідси для опору: R = U/I (5)

Рисунок 2. Схеми для перевірки законів постійного струму при паралельному з’єднанні провідників

 

І = І₁ + І₂ (6)

U = U₁ = U₂ (7)

1/R = 1/R₁ + 1/R₂ (8)

Розрахування похибок вимірювань.

(9)

ΔR = R*ε

(10)

(11)

 

Порядок виконання роботи

 

Перед початком виконання роботи: визначити ціну поділки шкали кожного вимірювального приладу, накреслити схеми електричного кола для кожного з завдань

 

Завдання 1. Дослідження послідовного з’єднання.

 

1. Зібрати схему, зображену на рис. 1.

2. Виміряти напругу і силу струму на кожному з резисторів, переміщуючи повзунок реостату. Результат записати до табл. 1.

3. За формулою (5) визначити опір провідника для кожного випадку.

4. Перевірити вірність формул (1) – (3)

Таблиця 1.1.

№ п/п	I1, A	I2, A	I, A	U1, В	U2, В	U, В	R1, Ом	R2, Ом	R, Ом	Rтеор, Ом
						середнє

 

5. Розрахувати похибки вимірювань за формулами (9 – 11)

 

Таблиця 1.2 Похибки для послідовного з’єднання

ΔR1, Ом	ΔR2, Ом	ΔR, Ом	ε1, %	ε2, %	ε, %	R1=R1сер + ΔR, Ом	R2=R2сер + ΔR, Ом	R=Rсер + ΔR, Ом

6. Порівняти отримане значення еквівалентного опору, отриманого експеримен-тально, з теоретичним значенням.

Завдання 2. Дослідження паралельного з’єднання.

 

1. Зібрати схему, зображену на рис. 2.

2. Виміряти напругу і силу струму на кожному з резисторів, переміщуючи повзунок реостату. Результат записати до табл. 3.

3. За формулою (5) визначити опір провідника для кожного випадку.

4. Перевірити вірність формул (6) – (8)

Таблиця 2.1.

№ п/п	I1, A	I2, A	I, A	U1, В	U2, В	U, В	R1, Ом	R2, Ом	R, Ом	Rтеор, Ом
						середнє

 

5. Розрахувати похибки вимірювань за формулами (9 – 11)

Таблиця 2.2 Похибки для паралельного з’єднання

ΔR1, Ом	ΔR2, Ом	ΔR, Ом	ε1, %	ε2, %	ε, %	R1=R1сер + ΔR, Ом	R2=R2сер + ΔR, Ом	R=Rсер + ΔR, Ом

6. Порівняти отримане значення еквівалентного опору, отриманого експеримен-тально, з теоретичним значенням.

 

Висновок:

1. Яку фізичну величину Ви визначали? Описати, яким чином Ви це робили.

2. Дати аналіз отриманим даним. Для чого Ви розраховували похибки?

 

Контрольні запитання

1. Дати характеристику для послідовного з’єднання провідників.

2. Дати характеристику для паралельного з’єднання провідників.

3. Розв’яжіть задачі:

а) Електричний чайник має в нагрівнику дві секції. Якщо вони з’єднані паралельно, то вода в чайнику закипає за 8 хв, а якщо послідовно – то за 50 хв. За який час закипить вода, якщо ввімкнено одну з секцій?

б) Яку потужність споживає кожний з резисторів? Опір кожного з резисторів 10 Ом, до кола прикладена напругу 30 В. Яка кількість теплоти виділяється на кожному з резисторів за 1 годину роботи?

4. Заповніть таблицю.

Запишіть фізичні величини, які необхідно виміряти, щоб експериментально перевірити послідовне та паралельне з’єднання провідників, а також назви приладів, які вам знадобляться.

Фізична величина	Позначення	Одиниці вимірювання	Прилад для вимірювання фізичної величини

 

 

Лабораторна робота

Вивчення явища електромагнітної індукції

Мета роботи: експериментальновивчити явища електромагнітної індукції та самоіндукції

Завдання:

1. Вивчити явище електромагнітної індукції

2. Вивчити явище самоіндукції

Обладнання та інструменти: джерело постійного струму, міліамперметр, реостат, дві котушки з осереддям, два дугоподібні магніти,котушка з великим числом витків і замкнутим осереддям, з’єднувальні провідники

Вказівки на теоретичний матеріал:

1. Явище електромагнітної індукції

2. Явище самоіндукції

 

Теоретичні положення

Електромагні́тна інду́кція — виникнення електрорушійної сили у провіднику, що перебуває у змінному магнітному полі.

Явище електромагнітної індукції відкрив у 1831 році Майкл Фарадей. До того було відомо, що електричний струм у провіднику створює магнітне поле. Однак оберненого явища не спостерігалося. Постійне магнітне поле не створює електричного струму. Фарадей встановив, що струм виникає при зміні магнітного поля. Якщо підносити й віддаляти до рамки з провідного матеріалу постійний магніт, то стрілка підключеного до рамки вольтметра відхилятиметься, детектуючи електричний струм. Ще краще це явище проявляється, якщо вставляти (виймати) магнітне осердя в котушку з намотаним провідником.

Фарадей встановив кількісний закон електромагнітної індукції, описавши його рівнянням:

Правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.

Рисунок 1. Иллюстрация правила Ленца. В этом примере а инд < 0. Индукционный ток Iинд течет навстречу выбранному положительному направлению і обхода контура

Правило Ленца отражает тот экспериментальный факт, что _инд и всегда имеют противоположные знаки (знак «минус» в формуле Фарадея). Правило Ленца имеет глубокий физический смысл – оно выражает закон сохранения энергии.

Изменение магнитного потока, пронизывающего замкнутый контур, может происходить по двум причинам.

1. Магнитный поток изменяется вследствие перемещения контура или его частей в постоянном во времени магнитном поле. Это случай, когда проводники, а вместе с ними и свободные носители заряда, движутся в магнитном поле. Возникновение ЭДС индукции объясняется действием силы Лоренца на свободные заряды в движущихся проводниках. Сила Лоренца играет в этом случае роль сторонней силы.

Самоиндукция является важным частным случаем электромагнитной индукции, когда изменяющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в рассматриваемом контуре по каким-то причинам изменяется, то изменяется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур. В контуре возникает ЭДС самоиндукции, которая согласно правилу Ленца препятствует изменению тока в контуре.

Собственный магнитный поток Φ, пронизывающий контур или катушку с током, пропорционален силе тока I:

Φ = LI.

Коэффициент пропорциональности L в этой формуле называется коэффициентом самоиндукции или индуктивностью катушки. Единица индуктивности в СИ называется генри (Гн). Индуктивность контура или катушки равна 1 Гн, если при силе постоянного тока 1 А собственный поток равен 1 Вб:

1 Гн = 1 Вб / 1 А.

В качестве примера рассчитаем индуктивность длинного соленоида, имеющего N витков, площадь сечения S и длину l. Магнитное поле соленоида определяется формулой

B = μ0 I n,

где I – ток в соленоиде, n = N / e – число витков на единицу длины соленоида.

Магнитный поток, пронизывающий все N витков соленоида, равен

Φ = B S N = μ0 n^2 S l I.

Следовательно, индуктивность соленоида равна

L = μ0 n^2 S l = μ0 n^2 V,

где V = Sl – объем соленоида, в котором сосредоточено магнитное поле. Полученный результат не учитывает краевых эффектов, поэтому он приближенно справедлив только для достаточно длинных катушек. Если соленоид заполнен веществом с магнитной проницаемостью μ, то при заданном токе I индукция магнитного поля возрастает по модулю в μ раз; поэтому индуктивность катушки с сердечником также увеличивается в μ раз:

Lμ = μ L = μ0 μ n^2 V.

ЭДС самоиндукции, возникающая в катушке с постоянным значением индуктивности, согласно закона Фарадея равна

ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна индуктивности катушки и скорости изменения силы тока в ней.

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Вивчити явище електромагнітної індукції

 

Рисунок 1. Визначення полюсів котушки

Проведіть експеримент з визначення магнітних полюсів котушки під час протікання в її обмотці струму певного напрямку. Для цього: · поставте маркером мітки на одному з торців котушки й на одному з проводів, за допомогою яких котушка. приєднується до електричного кола; · складіть електричне коло, зображене на рис. 1, приєднавши провід з міткою до клеми міліамперметра, поряд з якою стоїть знак «+»;

· замкніть коло й за допомогою магнітної стрілки визначте магнітний полюс торця котушки, на якому поставлено мітку;

· змініть напрямок струму в колі на протилежний і знову визначте магнітний полюс торця котушки, на якому поставлено мітку;

· заповніть табл. 1.1.

 

Таблиця 1.1

Напрямок відхилення стрілки міліамперметра (вліво / вправо)	Магнітний полюс торця котушки, на якому поставлено мітку

 

Дослід 1. З'ясування умов виникнення індукційного струму в замкненому провіднику та перевірка виконання правила Ленца

 

1. В електричному колі, яке ви склали на етапі підгото-вки до експерименту, залиште тільки котушку та міліампе-рметр. Прослідкуйте, щоб провід з міткою був приєднаний до тієї клеми міліамперметра, поряд з якою стоїть знак «+».

Рисунок 2. Перевурка виконання правила Ленца

2. Утримуючи котушку та магніт руками (рис. 2), послі-довно виконайте дії, зазначені в табл. 1.2. Магніт слід вво-дити в котушку та виводити з неї тільки з боку того торця котушки, на якому поставлено мітку. 3. Використовуючи дані табл.1.1, установіть, який магнітний полюс виникає в кожному випадку на тому торці котушки, де поставлено мітку.

Таблиця 1.2

№ п/п	Дії з магнітом і котушкою	Як поводиться стрілка міліампер-метрра (відхиляєть-ся вліво, вправо, за-лишається на місці)	Магнітний полюс торця котушки, роз-ташованого ближче до магніту(торець з міткою)	Напрям індукованого струму (за правилом Ленца)
	Введення магні-ту в котушку північним по-люсом
	Залиште магніт нерухомим від-носно котушки
	Виведення маг-нітуз котушки північним по-люсом
	Введення магні-ту в котушку південним по-люсом
	Залиште магніт нерухомим від-носно котушки
	Виведення маг-ніту з котушки південним по-люсом

 

4. До алюмінієвого кільця прив'яжіть дві нитки та підвісьте кільце на стрижень, який закріплено у муфті штатива (див. рис.). Швидко піднесіть до кільця магніт, а потім приберіть його від кільця. Спостерігайте, як поводитиметься кільце. Запишіть результати спостережень і поясніть їх.

Дослід 2. З'ясування чинників, від яких залежить значення індукційного струму

 

1. Приєднайте реостат до електричного кола, яке використовувалось у досліді 1. Установіть повзунок реостата в положення, що відповідає його мінімальному опору (реостат виведено з кола).

2. Утримуючи котушку та магніт руками, послідовно виконайте дії, зазначені в табл. 1.3. Щоразу знімайте покази міліамперметра і заносьте їх до табл. 1.3.

3. За допомогою реостата звільните опір електричного кола (реостат введено в коло) і повторіть дії, описані в п. 2. Закінчіть заповнення табл. 1.3.

Таблиця 1.3

№ п/п	Дії з магнітом і котушкою	Сила струму І, мА
реостат виведено з кола	реостат введено в коло
	Швидке введення магніту в котушку
	Повільне введення магніту в котушку
	Швидке введення в котушку двох магнітів, складених однойменними полюсами
	Повільне введення в котушку двох магні­тів, складених однойменними полюсами

 

Завдання 2. Вивчити явище самоіндукції

 

Рисунок 3. Вивчення явища самоіндукції

1. Зберіть схему, зображену на рис. 3. виконайте дії, зазначені у таблиці 2.1.

Таблиця 2.1

№ п/п	Дії з магнітом, реостатом і котушкою	Покази міліамперметра І, мА	Напрям відхилення стрілки приладу	Напрям індукованого струму (за правилом Ленца)
	Виведи реостат до мінімального опору. Вимика-чем замкни коло
	Швидко збільш опір реостата
	Розімкни коло
	Реостат виведи на максимальній оп-ір. Замкни коло, швидко зменш опір реостата
	Постав повзунок реостата посере-дині і замкни ко-ло. Швидко введи котушку на осе-реддя.
	Постав повзунок реостата посере-дині і замкни ко-ло. Швидко виве-ди котушку з осе-реддя.

Висновок:

1. Яку фізичну величину Ви визначали? Описати, яким чином Ви це робили.

2. Дати аналіз отриманим даним. Для чого Ви розраховували похибки?

 

Контрольні запитання

 

1. Який струм називається індукційним?

2. Як за правилом Ленца визначити напрям індукційного струму?

3. Що таке потік магнітної індукції?

4. Від чого залежить є. р. с індукції? Чому не виникає в котушці є. р. с індукції, якщо магніт нерухомий відносно котушки або по первинній котушці проходить незмінний струм?

5. Чому в дослідах в котушку вводять залізне осердя?

6. У котушку двічі з однаковою швидкістю вводять магніт: коли котушка розімкнена і коли замкнена. Коли потрібно розвивати більшу потужність і чому?

7. Розв’яжіть задачу:

а) Металевий стержень довжиною 50 см рухається в однорідному магнітному полі з індукцією 0,4 Тл. Швидкість руху напрямлена перпендикулярно до стержня та утворює кут 45⁰ з лініями магнітної індукції. ЕРС індукції в стержні 0,71 В. Якою є швидкість руху стержня?

б) Який заряд пройде через переріз замкнутого провідника опором 10 Ом при зміні магнітного потоку від 35 мВб до 15 мВб?

в) Яка кількість теплоти виділиться в резисторі R2 після розмикання ключа? ЕРС джерела струму 12 В, внутрішній опір 1,5 Ом, індуктивність котушки 0,2 Гн, опори резисторів 7,5 Ом та 3 Ом. Опором котушки можна знехтувати.

г) За правилом Ленца визначити напрям індукційного струму у катушці.

№ п/п	Дії з магнітом і котушкою	Як змінюється магнітний потік, що пронизує котушку	Магнітний полюс торця котушки, роз-ташованого ближче до магніту	Напрям індукованого струму (за правилом Ленца)
	Введення магні-ту в котушку північним по-люсом
	Залиште магніт нерухомим від-носно котушки
	Виведення маг-нітуз котушки північним по-люсом
	Введення магні-ту в котушку південним по-люсом
	Залиште магніт нерухомим від-носно котушки
	Виведення маг-ніту з котушки південним по-люсом

 

8. Заповніть таблицю.

Запишіть фізичні величини, які необхідно виміряти, щоб експериментально вивчити явище електромагнітної індукції, а також назви приладів, які вам знадобляться.

Фізична величина	Позначення	Одиниці вимірювання	Прилад для вимірювання фізичної величини

 

Додаток Б