И З У Ч Е Н И Е З А К О Н А О М А

С О Д Е Р Ж А Н И Е

3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.................................................. 59

Работа 3.1. ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА....................................................... 59

Работа 3.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ............... 63

Работа 3.3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ.................................................. 69

Работа 3.4. ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ..... 73

Работа 3.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА

МЕТОДОМ МАГНИТНОЙ ФОКУСИРОВКИ................................. 78

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Работа 3.1

И З У Ч Е Н И Е  З А К О Н А  О М А

Цель работы: 1) знакомство с простейшими электрическими схемами и приобретение навыков работы с электро- измерительными приборами;

2) экспериментальная  проверка  закона  Ома  для  участка электрической цепи.

 

Схема экспериментальной установки

БП – блок питания:

В – выпрямитель; П – потенциометр; V – вольтметр;

K – ключ;

А – миллиамперметр;

R – магазин сопротивлений

 

 

Описание методики и установки

Как известно, сила тока на участке цепи прямо пропорциональна напряжению (разности потенциалов) U на этом участке и обратно пропорциональна  его  сопротивлению   R   (или  прямо  пропорциональна

величине

1):

R

 

I = U

R

 

= U × 1.                                       (1)

R

Выражение (1), хорошо известное как закон Ома для участка цепи,

позволяет, в частности, определить сопротивление этого участка по измеренным значениям силы тока и напряжения:

 

R = U I

.                                            (2)

 

Если, не меняя напряжения, измерять силу тока при различных значениях сопротивления, то, согласно (1), напряжение U будет коэффициентом  пропорциональности  между  током   I   и  величиной  1/ R.

 

 

Таким образом, график зависимости I (1/ R) должен представлять собой прямую, проходящую через начало координат. Значение напряжения можно найти как тангенс угла наклона этой прямой к оси абсцисс:

 

U = D I

Dæ  1 ö

.                                       (3)

ç ÷

è R ø

Источником питания в экспериментальной установке служит переменное (сетевое) напряжение. Выпрямитель В, входящий в состав блока питания БП, преобразует это напряжение в постоянное. Потенциометр П позволяет изменять величину постоянного напряжения U на выходе из блока питания (практически это осуществляется вращением ручки на панели БП). Измеряется величина U вольтметром V, шкала которого также выведена на панель БП.

Исследуемый участок цепи состоит из последовательно соединенных ключа K, миллиамперметра А, служащего для измерения силы тока I, и магазина сопротивлений R (сопротивление миллиамперметра и подводящих проводов пренебрежимо малы).

 

Порядок измерений и обработки результатов Упражнение 1. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СИЛЫ ТОКА ОТ НАПРЯЖЕНИЯ

1. Ознакомьтесь с электроизмерительными приборами. Определите класс точности вольтметра KV  и миллиамперметра KА , а также их пределы измерения Umax  и Imax. Запишите величины KV , KA , Umax  и Imax в тетрадь. Рассчитайте цену деления этих приборов и научитесь снимать их показания.

2. Ознакомьтесь с магазином сопротивлений. Определите его класс точности   KM         и запишите эту величину в тетрадь. Вращением соответствующих ручек (ручку «´1000» не трогать!) установите рекомендуемое значение  сопротивления   R 0  (в  пределах  от  1000  до 1500 Ом) и также запишите его в тетрадь.

    3. Соберите схему установки, убедившись, что ключ K разомкнут. Под руководством преподавателя или лаборанта (после проверки ими правильности соединений ) включите в сеть блок питания БП и замкните ключ К.

4. Вращением ручки потенциометра на панели БП установите начальное значение напряжения U = 3 В.

5. Со шкалы миллиамперметра снимите значение силы тока I. Показания приборов (величины U и I) занесите в соответствующие столбцы табл. 1.

 

 

Таблица 1

Номер опыта	U, B	I, мА	R, Ом	D R, Ом	(D R)2 , Ом 2
1

…         …           …            …            …             …

 

5               S =

S =

6. Увеличивая на один вольт значение подаваемого напряжения U, повторите действия, описанные в п. 5, еще четыре раза.

7. Переводя силу тока I в амперы, вычислите по формуле (2) и занесите в таблицу значения сопротивления R для каждого опыта.

8. Рассчитайте сумму найденных значений сопротивления и запишите ее в первую ячейку «S =». Найдите среднее значение сопротивления R.

9. Вычислите и занесите в таблицу отклонения D R каждого из значений сопротивления от среднего, а также квадраты этих отклонений. Сумму квадратов отклонений занесите во вторую ячейку «S =». Выполните все расчеты, необходимые для оценки случайной погрешности

D sR. Найдите величину D sR, задаваясь доверительной вероятностью

a = 0,95.

10. По классу точности и пределу измерения приборов определите абсолютные приборные погрешности измерения напряжения d U и силы тока d I, а также относительные ошибки EU   и EI .

11.

E

2

2

Оцените абсолютную приборную погрешность косвенного измерения сопротивления d R. При необходимости воспользуйтесь формулой

d R = R

U + EI.

12. Оцените полные абсолютную D и относительную Е погрешности. Сделав необходимые округления, запишите окончательный результат измерения сопротивления. Сопоставьте полученный доверительный интервал с установленным значением сопротивления магазина R 0.

13. Вычислите  абсолютную  приборную  ошибку  сопротивления

магазина

d R 0

= KM   × R 0

100

и оцените его доверительный интервал R 0 ± d R 0 . Сравните его с ранее полученным интервалом. Сделайте выводы о характере зависимости силы тока от напряжения на участке электрической цепи.

 

 

Упражнение 2. ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ТОКА ОТ СОПРОТИВЛЕНИЯ

1. Ручкой потенциометра установите рекомендуемое значение напряжения U 0. Запишите это значение в тетрадь.

2. Установите  на  магазине  сопротивлений  начальное  значение

R = 1000 Ом.

3. Со шкалы миллиамперметра снимите значение силы тока I. Переведите это значение в амперы. Показания приборов (величины R и I) занесите в табл. 2.

Таблица 2

Номер измерения	1	2
R, Ом
I, A
1, Ом – 1 R

 

4. Увеличивая значение сопротивления магазина с помощью ручки

«´100» на 100 Ом, повторите действия, перечисленные в п. 3, еще семь раз.

5. Ручкой потенциометра уменьшите подаваемое напряжение до нуля. Отключите сетевой тумблер на панели блока питания и выключите установку из сети.

    6. Разберите схему.

7. Постройте  график  зависимости  силы  тока   I   от  величины 1.

R

Сделайте  вывод  о  характере  зависимости  силы  тока  от  сопротивления

участка цепи.

8. Проведите сглаживающую прямую через начало координат и экспериментальные точки. Выберите на этой прямой две точки (одной из них может быть начало координат) и по тангенсу угла наклона прямой, используя формулу (3), рассчитайте значение напряжения U.

9. Сравните полученное значение U с ранее записанным показанием вольтметра U 0. Оцените их относительное отклонение

E =   U - U 0  ×100%.

U 0

 

Контрольные вопросы

1. Сила тока (определение). Закон Ома для участка цепи.

2. Сопротивление проводника. Последовательное и параллельное соединение сопротивлений.

3. Доверительный интервал. Порядок оценки случайной погрешности.

 

 

4. Класс точности электроизмерительного прибора. Оценка абсолютной и относительной приборных ошибок по классу точности и пределу измерения прибора.

5. Погрешность косвенного измерения. Полная абсолютная и относительная ошибки. Окончательный результат измерений.

6. Построение графических зависимостей. Определение физической величины по тангенсу угла наклона графика.

 

 

Работа 3.2