Постоянный ток: Журнал отчётов по лабораторным работам

ПРИЛОЖЕНИЕ к методическим указаниям по выполнению лабораторных работ раздела физики "Постоянный ток"

ПОСТОЯННЫЙ ТОК Журнал отчётов по лабораторным работам студента ______________________ Ф.И.О.

группа __________

Издательство ТГТУ 2009

УДК 535 ББК В343я73-5 Б907 Рецензент Доктор технических наук, профессор кафедры "Автоматизированные системы и приборы" ТГТУ Д.М. Мордасов С о с т а в и т е л и: Н.А. Булгаков, А.М. Савельев

Б907

Постоянный ток : журнал отчётов по лабораторным работам / сост. : Н.А. Булгаков, А.М. Савельев. – Тамбов : Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2009. – 24 с. – 200 экз. Даны вспомогательные материалы, необходимые при оформлении отчётов по лабораторным работам. Предназначен для студентов 1–2 курсов всех специальностей и форм обучения инженерного профиля. УДК 535 ББК В343я73-5

© ГОУ ВПО "Тамбовский государственный технический университет" (ТГТУ), 2009

Учебное издание

ПОСТОЯННЫЙ ТОК Журнал отчётов по лабораторным работам С о с т а в и т е л и: БУЛГАКОВ Николай Александрович, САВЕЛЬЕВ Александр Михайлович Редактор Т.М. Г л и н к и н а Инженер по компьютерному макетированию М.Н. Р ы ж к о в а Подписано в печать 30.01.2009 Формат 60 × 84/16. 1,39 усл. печ. л. Тираж 200 экз. Заказ № 35 Издательско-полиграфический центр ТГТУ 392000, Тамбов, Советская, 106, к. 14

Лабораторная работа 1 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОПРТИВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МОСТИКА УИТСТОНА Работа выполнена "___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Работа зачтена

"___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Rx = R __ ;

R y = R __ ,

где Rx – любой из шести резисторов; Ry – второй резистор в паре с первым (номера резисторов задаются преподавателем). 1. Для заданного резистора Rx Таблица 1 i Rм, Ом 1 2 3 4 5

l1i, мм

l2i, мм

Rxi ,

Rx = Rx ср ± ∆Rx ср

Ом ∆Rxi , Ом

.........

................................

∆Rx ср

Rx ср

По формуле (9) рассчитаем пять значений и среднюю величину Rx :

Rx ср =

Rx1 = _______⋅

= _______ Ом;

Rx 2 = _______⋅

= _______ Ом;

Rx3 = _______⋅

= _______ Ом;

Rx 4 = _______⋅

= _______ Ом;

Rx5 = _______⋅

= _______ Ом;

+

+

+ 5

+

=

Ом.

Для косвенных измерений относительные и абсолютные погрешности исходя из соотношения (9) имеют вид: ∆Rx ∆Rм ∆l1 ∆l2 = + + ; Rx Rм l1 l2   ∆R 1 1 ∆l ∆l  ∆Rx = Rx ⋅  м + 1 + 2  = Rx ⋅  0,0002 + +  , l1 l2  l1 l2    Rм

где

∆Rм = 0,02 %, ∆l1 = ∆l2 = 1 мм, l1 и l 2 замерены в миллиметрах. Rм

Подставляя числовые значения, находим: 1) ∆Rx1 =

 ⋅  0,0002 + 

1

2) ∆Rx 2 =

 ⋅  0,0002 + 

1

3) ∆Rx3 =

 ⋅  0,0002 + 

1

4) ∆Rx 4 =

 ⋅  0,0002 + 

1

5) ∆Rx5 =

 ⋅  0,0002 + 

1

∆Rx ср =

+

+

+

+

+

+

1

  = 

Ом;

1

  = 

Ом;

1

  = 

Ом;

1

  = 

Ом;

1

  = 

Ом.

+

+

+

5 Rx = Rx ср ± ∆Rx ср =

Ом.

=

Ом.

±

Полученные значения заносим в табл. 1. По аналогии с п. 1 заполним табл. 2, 3 и 4. 2. Для заданного резистора Ry Таблица 2 i Rм, Ом 1 2 3 4 5

l1i, мм

l2i, мм

R yi , Ом

∆R yi , Ом

.........

R y = Ry ср ± ∆R y ср

................................

R y ср

∆R y ср

3. При последовательном соединении резисторов Rx и Ry Таблица 3

i

Rм, Ом

1 2 3 4 5

.........

l1i, мм

l2i, мм

Rxy i ,

Ом

∆Rxy i ,

Ом

Rxy = Rxy ср ± ∆Rxy ср

................................

∆Rxy ср

Rxy ср

4. При параллельном соединении резисторов Rx и Ry Таблица 4 i

Rм, Ом

1 2 3 4 5

.........

l1i, мм

l2i, мм

Rxy i , Ом

∆Rxy i ,

Ом

Rxy = Rxy ср ± ∆Rxy ср

................................

Rxy ср

∆Rxy ср

5. Сравним экспериментальные значения общих сопротивлений при последовательном и параллельном соединении резисторов с теоретическими, рассчитываемыми по формулам: Rобщ(посл.) = R1 + R2 ; 1 Rобщ(паралл.)

=

1 1 + R1 R2

Rxy ср(посл.) = Rx ср + R y ср = Rxy ср(паралл.) =

Rx ср ⋅ R y ср Rx ср + R y ср

=

⇒ Rобщ(паралл.) = +

R1 ⋅ R2 . R1 + R2

Ом;

= ⋅ +

=

Ом.

6. Выводы: _________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________

Лабораторная работа 2 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭДС ИСТОЧНИКА ТОКА МЕТОДОМ КОМПЕНСАЦИИ Работа выполнена "___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Работа зачтена

"___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Таблица № п/п

n1 ,

n1′ ,

дел.

дел.

(∆n1 )2 (∆n1′ )2

∆n1′

∆n1

∆n1′ср

∆n1ср

1 2 3 4 5

............ ............

n1ср

n1′ ср

1. Средние значения n1ср и n1′ср : n1ср =

n1′ ср =

+

+

+

+

+

+

5

+

+ 5

=

дел.;

=

дел.

2. Среднее значение искомой E X : E X ср = E N

n1ср n1′ср

EN =

=

⋅

В;

=

В.

±

3. По методу Стьюдента для прямых измерений вычислим ∆n1ср и ∆n1′ср : 5

∆n1 ср = αS = α ⋅

∑ (∆n1 )i2 n =1

n ⋅ (n − 1)

=

= 2,8 ⋅

+

+

+ 5⋅4

+

=

дел.;

5

∆n1′ ср = αS = α ⋅

∑ (∆n1′ )i2 n =1

n ⋅ (n − 1)

=

+

= 2,8 ⋅

+

+

+

=

5⋅ 4

дел.

(α = 2,8 – коэффициент Стьюдента). 4. Для косвенных измерений относительную погрешность искомой ЭДС находим преобразованием формулы (10): ∆E X ср E X ср

=

∆E N ∆n1 ср ∆n1′ ср = + + EN n1 ср n1′ ср

+

+

,

=

тогда абсолютная погрешность равна:  ∆E ∆n1 ср ∆n1′ ср  = ∆E X ср = E X ср ⋅  N + +  EN n1 ср n1′ ср  

⋅(

=

+

+

где ∆E N – приведена в п. 2. 5. Величина искомой ЭДС: E X = E X ср ± ∆E X ср =

±

(В).

6. Выводы: _________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________

)=

В.

Лабораторная работа 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ, СОДЕРЖАЩЕГО ЭДС Работа выполнена "___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Работа зачтена

"___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

1. Занесем в таблицу полученные опытные измерения для сопротивления участка R′уч., соответствующего положению переключателя "___". Таблица 1 R, Ом I, мA φ1 – φ2, В

0

По измеренным величинам строим график зависимости I = f (φ1 – φ2). I, мA

–(φ1 – φ2), В

0

(φ1 – φ2), В

′′ , при положении переключателя "__", опытные изме2. Для сопротивления участка Rуч рения и график имеют вид:

Таблица 2 R, Ом I, мA φ1 – φ2, В

0 I, мA

–(φ1 – φ2), В

0

(φ1 – φ2), В

3. По угловым коэффициентам полученных прямых (тангенс угла наклона) оценим ве′ и Rуч ′′ : личины заданных сопротивлений участков Rуч tg α =

∆I ∆I 1 = = ∆ (ϕ1 − ϕ 2 ) ∆ (∆ϕ) Rуч

.

Приращение величин тока (∆I) и разности потенциалов [∆(∆φ)] можно брать на любом интервале, так как зависимость линейная. При первом положении переключателя Rуч

1 ∆I = = ′ Rуч ∆ (∆ϕ)

′ = _______ Ом. = _______; Rуч

При втором положении переключателя Rуч 1 ∆I = = ′′ Rуч ∆ (∆ϕ)

′′ = _______ = _______ ; Rуч

Ом.

4. Из графиков найдем величины токов, когда разность потенциалов φ1 – φ2 = 0. I′ = A; I ′′ = А. Из уравнения (4) при φ1 – φ2 = 0 и найденных значениях I и Rуч вычислим ЭДС источника тока, включенного в исследуемый участок цепи: ′ = 1) E = I ′Rуч

⋅

=

В;

′′ = 2) E = I ′′Rуч

⋅

=

В.

5. Построим графики зависимости разности потенциалов (φ1 – φ2) между точками 1 и 2 исследованного неоднородного участка цепи от величины внешнего сопротивления R. φ1 – φ2, В

0

R, Ом

φ1 – φ2, В

0

R, Ом

Выводы: ____________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________

Лабораторная работа 4 ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ПОЛНОЙ ЦЕПИ, ЗАВИСИМОСТИ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКА ОТ НАГРУЗКИ Работа выполнена "___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Работа зачтена

"___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Таблица № п/п

R, Ом

I, А

U, В

P, Вт

Pn, Вт

η, %

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 E = U0 = _____ В. 1. Используя замеренные значения и формулы: P = IE; Pn = IU; η = Pn / P, рассчитаем искомые величины и внесём их в соответствующие графы таблицы. 2. По табличным данным построим графики зависимостей: P = f (I ) , Pn = f (I ) , η = f (I ) . Масштаб по осям ординат выбрать произвольно. Графики зависимостей изобразить (показать) разными цветами.

η

Pn, Вт P, Вт

0

I, А

3. По экспериментальным данным построим графики зависимостей: I = f (R ) , U = f (R ) , Pn = f (R ) . I, A U, B Pn, Вт

0 R, Ом 4. Для произвольных трёх значений I и R, которые возьмем из последнего графика, вычислим величины внутреннего сопротивления источника тока: ri =

U0 − I j R j U 0 − I i Ri U −I R ; rj = ; rk = 0 k k Ii Ij Ik

Подставляя числовые значения, получаем:

.

−

ri =

−

rj =

−

rk =

rср =

ri + r j + rk 3

=

Ом;

=

Ом;

=

Ом;

+

=

+

Ом.

=

Средняя арифметическая погрешность равна: ∆rср =

∆ri + ∆r j + ∆rk

3

+

=

+

=

Ом,

где ∆ri = rср − ri ; ∆rj = rср − r j ; ∆rk = rср − rk . Окончательная величина внутреннего сопротивления r = rср ± ∆rср =

±

Ом.

5. Величина тока короткого замыкания при отсутствии внешнего сопротивления (R = 0) определяется из соотношения: I к. з = E / rср = U 0 / rср .

Подставляя числовые величины, получим: I к. з =

/

=

А.

6. Выводы: _________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________

Лабораторная работа 5 ПРОВЕРКА ПРАВИЛ КИРХГОФА ДЛЯ РАЗВЕТВЛЁННЫХ ЦЕПЕЙ Работа выполнена "___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Работа зачтена

"___" _____________ 20 ___ г. _____________ (подпись)

Для R2′ = _______ Ом, имеем Таблица 1 № п/п E1, В

φ1, В

E2, В

φ2, В

Ui, В ∆Ui, В Ii, А

r1, Ом r2, Ом

1 2 3 4 5 6

........... ...........

Для R2′′ = _______ Ом, имеем Таблица 2 № п/п E1, В

φ1, В

E2, В

φ2, В

Uj, В ∆Uj, В Ij, А

r1, Ом r2, Ом

1 2 3 4 5 6

........... ...........

1. Абсолютные погрешности измеренных значений Ui, j ∆U i =

a ⋅ U i,

j изм

100

,

где а – класс точности вольтметра, равный 1,0; U i, j изм – измеренная величина i, j-го напряжения. Результаты расчётов внесём в графу ∆U обеих таблиц. 2. Токи I1 – I6 рассчитываем по закону Ома (I = U / R) для обоих значений R2, полученные результаты внесем в таблицы 1 и 2. 3. Проверяем ПЕРВОЕ правило Кирхгофа (уравнение 1). I. Сопротивление R2′ = _________________ Ом: а) узел 1: I1 − I 2 − I 4 = 0 ; I1 − I 2 − I 4 =

−

−

=

А.

Несовпадение с нулем не должно превышать величину: R1∆U1 + U1∆R1 R2∆U 2 + U 2 ∆R2 R4∆U 4 + U 4 ∆R4 + + = R12 R22 R42

U 

∑ ∆ R  = =

+ ______

+

+ ______

+

+ ______

= _________

А.

Погрешности ∆Ri берутся равными 3 % от номинала. Сравнивая, видим, что первое правило ___________________________________ б) узел 2: I 3 + I 6 − I1 = 0 ; I 3 + I 6 − I1 = _________ + _________ + _________ = _________ А.

Сумма погрешностей: U 

∑ ∆  R  = =

R3∆U 3 + U 3∆R3 R6∆U 6 + U 6 ∆R6 R1∆U1 + U1∆R1 + + = R32 R62 R12

+ ______

+

+ ______

+

+ ______

= _________

А.

Последняя величина превышает первую, следовательно, первое правило выполняется. в) узел 3: I 2 + I 5 − I 3 = _______ + _______ − _______ = _______ А. Сумма погрешностей: U 

∑ ∆ R  = =

R2∆U 2 + U 2∆R2 R5∆U 5 + U 5∆R5 R3∆U 3 + U 3∆R3 + + = R32 R52 R32

+ ______

+

+ ______

+

+ ______

= _________

А.

Сравнивая с несовпадением с нулем, видим, что для узла 3 первое правило _____________________________________ г) узел 4: I 4 − I 5 − I 6 = − − = А; U 

∑ ∆ R  = =

Сравнение

R4∆U 4 + U 4 ∆R4 R5∆U 5 + U 5∆R5 R6 ∆U 6 + U 6∆R6 + + = R42 R52 R62

+ ______ U 

∑ Ii c ∑ ∆ R 

+

+ ______

+

показывает,

что

___________________________________ II. Сопротивление R2′′ = _________________ Ом: а) узел 1: I1 − I 2 − I 4 = − − = U 

∑ ∆ R  = ∆I1 + ∆I 2 + ∆I 4 =

+ ______

+

= _________

первое

А.

правило

А; +

=

А.

для

узла 4

Видим, что последнее больше первого. Поэтому первое правило выполняется. + − = А. б) узел 2: I 3 + I 6 − I1 = Сумма погрешностей: ∆I 3 + ∆I 6 + ∆I1 =

+

+

А.

=

Сравнение говорит о _________________________ правила Кирхгофа в) узел 3: I 2 + I 5 − I 3 = + − = А. Погрешности: ∆I 2 + ∆I 5 + ∆I 3 =

+

+

А.

=

Видим, что для узла 3 правило ______________________________ г) узел 4: I 4 − I 5 − I 6 = − − = А. Погрешности: ∆I 4 + ∆I 5 + ∆I 6 =

+

+

А.

=

Ясно, что для узла 4 первое правило Кирхгофа ___________________ 4. По формулам (3) для заданных значений (R2′ и R2′′ ) найдем величины внутренних сопротивлений r1 и r2 , используемых в установке источников тока Е1 и Е2: r1 =

r1 =

r1 =

________

________

E1 − ϕ1 δU1 E − ϕ2 δU 2 ; r2 = 2 . = = I1 I1 I5 I5 = _______ Oм; r2 =

________

= _______ Oм; r2 =

________

= _______ Ом;

= _______ Ом.

5. Проверяем ВТОРОЕ правило Кирхгофа (уравнение 2). I. Сопротивление R2′ = _______________ Ом: а) контур А 1 3 2 Д А. Обход контура по часовой стрелке: I1R1 + I 2 R2 + I 3 R3 = E1 или U1 + U 2 + U 3 = E1 ; +

+

B; E1 = ______ В.

=

Получающееся несовпадение левой и правой частей сопоставим с суммой погрешностей: ∆E1 + ∆U1 + ∆U 2 + ∆U 3 =

+

+

+

=

В,

в которой ∆E1 определена также по классу точности вольтметра: ∆E1 =

a ⋅ E1 = 100

⋅ 100

= ________ В.

Так как сумма погрешностей _____________ величины несовпадения, следует, что второе правило Кирхгофа для этого контура _______________

б) контур 1 В 4 3 1. Обход контура по часовой стрелке: I 4 R4 + I 5 R5 − I 2 R2 = E 2 или U 4 + U 5 − U 2 = E 2 ; +

Разница

∑U i с E 2

+

=

B; E 2 = ______

В.

+

=

равна ______________ B.

Сопоставим ее с суммой погрешностей: ∆E 2 + ∆U 4 + ∆U 5 + ∆U 2 =

где ∆E 2 =

a ⋅ E 2 изм 100

=

⋅ 100

+

+

В,

= ________ В.

Видно, что вторая величина ______________________ первой, следовательно, второе правило для этого контура _________________________ в) контур 3 4 С 2 3. Обход по часовой стрелке: I 6 R6 − I 3 R3 − I 5 R5 = E 2 или U 6 − U 3 − U 5 = E 2 ; −

−

В;

=

∑U i − E i = ________ − ________ = ________ В. Сопоставим эту величину с суммой погрешностей: ∆E 2 + ∆U 6 + ∆U 3 + ∆U 5 =

+

+

=

В.

Поскольку сумма погрешностей _________________ величины несовпадения, то второе правило и для этого контура _______________________ II. Сопротивление R2′′ = _______________ Ом: а) контур А 1 3 2 Д А. Обход по часовой стрелке: I1R1 + I 2 R2 + I 3 R3 = E1 или U1 + U 2 + U 3 = E1 ; +

+

В.

=

Несовпадение левой и правой частей сравним с суммой погрешностей: ∆E1 + ∆U 1 + ∆U 2 + ∆U 3 =

+

+

=

В.

Поскольку сумма погрешностей ______________________ величины несовпадения, то правило _____________________________ б) контур 1 В 4 3 1. Обход по часовой стрелке: I 4 R4 + I 5 R5 − I 2 R2 = E 2 ; +

Разница

∑U j

−

с E 2 составляет ________ В.

Сравним ее с суммой погрешностей:

=

В.

∆E 2 + ∆U 4 + ∆U 5 + ∆U 2 =

+

+

+

=

В.

Видно, что второе правило _________________________________ в) контур 3 4 С 2 3. Обход по часовой стрелке: I 6 R6 − I 3 R3 − I 5 R5 = E 2 или U 6 − U 3 − U 5 = E 2 ; −

−

В;

=

∑U j − E2 = ________ − ________ = _______ В. Неравенство левой и правой частей сопоставим с суммой погрешностей: ∆E 2 + ∆U 6 + ∆U 3 + ∆U 5 =

+

+

+

=

В.

Так как первая величина ____________________ второй, считаем, что для этого контура второе правило Кирхгофа _________________________ 6. Выводы: _________________________________________________ ________________________________________________________________ ________________________________________________________________