Лабораторный практикум.
по физике (11 класс) по теме

Лабораторная работа № 5

Градуировка термопары

Цель работы. Ознакомиться с термоэлектрическим эффектом и его практическим применением. Исследуйте зависимость термоэлектродвижущей силы термопары от температуры.

Оборудование. Термопара, милливольтметр, стеклянный стакан, горячая вода, термометр.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Если у длинного металлического проводника температура одного конца выше температуры другого конца, то от конца с более высокой температурой часть электронов диффундирует к более холодному концу. Между холодным и горячим концами проводника возникает разность потенциалов.

У проводников из разных металлов концентрация свободных электронов различна. Поэтому при одинаковой разнице температур между холодным и горячим концами у проводников из разных металлов разность потенциалов оказывается различной.

Если соединить два конца проволок из разных металлов и место их соединения нагреть, то между свободными холодными концами проволок возникает разность потенциалов. При соединении свободных концов в цепи возникает электрический ток. Это явление называется термоэлектрическим эффектом. Причина возникновения термоэлектрического тока называется термоэдс. Термоэлектрический эффект применяется на практике для измерения температуры.

Две разнородные проволоки, соединенные с одного конца, называются термопарой.

В данной работе предлагается экспериментально исследовать зависимость термоэдс термопары от разности температур между холодным и горячим концами.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Налейте в стакан воду комнатной температуры. Поставьте в стакан термометр и термопару. Концы термопары подключите к милливольтметру. Стакан поставить на плитку и начать нагревание.

2. Наблюдайте показания термометра и милливольтметра. Записывайте значения температуры t1 и  напряжения U в отчетную таблицу через каждые 5 °С до достижения комнатной температуры.

3. Измерьте температуру t2 воздуха в комнате. Вычислите разность температур ∆t между горячим и холодным концами термопары: ∆t = t1 – t2. Запишите значения разности температур в таблицу.

4. Постройте график зависимости термоэдс U от разности температур ∆t с учетом погрешностей по данным таблицы.

Контрольные вопросы

1. Почему возникает термоэдс между свободными концами термопары?

2. Как можно использовать результат выполненного исследования для измерения температуры с помощью термопары?

3. объясните вид полученного графика.

Демонстрация зависимости параметров полупроводниковых приборов от температуры

Оборудование: источник питания, диод Д2Ж, реостат сопротивлением 6 - 10 Ом, амперметр, ключ, соединительные провода, осциллограф.

Выполнение работы

1. Соберите цепь по схеме № 1.

2. Незначительно нагрейте диод над пламенем свечки. Опишите о объясните явления, протекающие в цепи, во время нагревания и после его остывания.

3. Ознакомьтесь с осциллографом по инструкции.

4. Соберите цепь по схеме №2. Ключ должен быть разомкнут. Внимание! Цепь подключается к источнику переменного напряжения на 10 - 15 В.

5. Зарисуйте и объясните осциллограмму при разомкнутом ключе.

6. Замкните ключ. Зарисуйте и объясните осциллограмму при замкнутом ключе.

7. Слегка нагрейте диод и зарисуйте осциллограмму.

8. Объясните нарушение выпрямительных свойств p - n перехода при нагревании.

Дополнительное задание.

1. Соберите электрическую цепь по схеме № 3.

2. Зарисуйте вольт - амперную характеристику диода. Исследуйте ее.

3. Слегка нагрейте диод. Зарисуйте осциллограмму и объясните ее.

4. Что вы наблюдаете по мере остывания диода?

Контрольные вопросы.

1. Имеют ли ограниченность рабочего интервала температур полупроводниковые приборы?

2. Какая проводимость начинает преобладать по мере нагревания диода?

Работа № 7

Исследование зависимости электрического сопротивления терморезистора от температуры

Цель работы. Исследовать зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры. Исследуйте зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Оборудование. Полупроводниковый терморезистор в пробирке, соединительные провода, термометр, омметр, плитка, стакан с водой.

Содержание и метод выполнения работы.

При низких температурах валентные оболочки всех атомов в кристалле полупроводника оказываются заполненными, электроны не имеют возможности переходить от одного атома кристалла к другому. Поэтому при низких температурах полупроводниковые кристаллы по своим электрическим свойствам близки к диэлектрикам: они обладают очень большим электрическим сопротивлением.

При повышении температуры тепловые колебания атомов приводят к освобождению электронов и появлению свободных мест в валентных оболочках атомов, т. е. в полупроводниковом кристалле увеличивается концентрация свободных электронов и дырок; поэтому электрическое сопротивление полупроводников с повышением температуры уменьшается. При высоких температурах полупроводниковые материалы по своим электрическим свойствам становятся близкими к металлам.

Для исследования зависимости электрического сопротивления полупроводниковых материалов от температуры можно использовать полупроводниковый терморезистор.

1 – термистор, его выводы припаяны к двум медным проводам 2, которые проходят через отверстие в монтажной панели 3 и заканчиваются двумя зажимами. В середине панели сделано отверстие 4, в которое вставлена небольшая трубочка. Термистор вместе с трубочкой заключен в стеклянную пробирку. При выполнении работы пробирку с термистором погружают в стакан с водой, а внутрь трубочки вставляют термометр. Сопротивление термистора при различных температурах измеряют омметром.

Ход работы.

1. Подготовьте омметр к измерениям электрического сопротивления терморезистора. Вставьте термометр в пробирку с резистором. Пробирку закрепите в лапке держателя на штативе и опустите в колбу с водой, установленную на плитку. Подключите омметр к выводам терморезистора, а плитку к источнику электрического тока.

2. Проведите измерения электрического сопротивления терморезистора при значениях температуры от 20 до 70 °С через каждые 5°С.

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

3. По результатам измерений постройте График зависимости электрического сопротивления терморезистора от температуры.

4. После выключения нагревателя повторите измерения сопротивления терморезистора во время охлаждения. Постройте второй график, заполните вторую аналогичную таблицу.

Для построения графиков можно использовать электронные таблицы. Все экспериментальные данные наносятся на график с учетом погрешностей. Графики полученные при нагревании и охлаждении резистора строят в одной системе координат. Для охлаждения можно отлить из колбы часть горячей воды и доливать холодную воду.

Контрольные вопросы.

1. Почему при нагревании электрическое сопротивление полупроводников уменьшается?

2. Какие применения на практике находят терморезисторы?

3. Почему графики зависимости электрического сопротивления терморезистора от температуры, снятые при нагревании и охлаждении, не совпадают? какой график лежит выше и почему?

Лабораторная работа № 2

Изменение цены деления вольтметра.

Оборудование: батарейки 4,5 В и 9 В, вольтметр лабораторный с пределом измерения 6 В, школьный авометр, магазин сопротивлений.

Цель работы: определить внутреннее сопротивление вольтметра, измерить с помощью школьного вольтметра напряжение на зажимах батареи 9 В.

Обычный вольтметр представляет собой гальванометр с подключенным к нему добавочным сопротивлением, вмонтированным в корпус прибора. В лабораторной практике часто встречается необходимость расширить пределы измерения прибора. Для измерения чувствительности вольтметра следует подобрать сопротивление для нужных нам пределов измерения.

Порядок выполнения работы

1. Определить цену деления лабораторного вольтметра.

2. Измерить вольтметром напряжение на источнике тока 4,5 В.

3. Подключить последовательно с вольтметром магазин сопротивлений.

4. Первое добавочное сопротивление подбирается так, чтобы стрелка вольтметра отклонилась примерно на 1 В меньше.

5. Проведите аналогичные измерения до тех пор, пока напряжение на вольтметре не уменьшится в 3 раза.

6. Рассчитать новую цену деления вольтметра и внутреннее сопротивление вольтметра. Не забудьте вывести формулы для расчетов

7. Измерить вольтметром с добавочным сопротивлением напряжение втором источнике и вычислить его значение.

8. Измерить внутренне сопротивление вольтметра авометром (RV).

9. Сравните с результатами вычислений (в пределах погрешностей).

Контрольные вопросы.

1. Для чего служат измерительные приборы: амперметр, вольтметр, гальванометр?

2. Почему вольтметр можно подключать непосредственно к источнику тока, а амперметр только с потребителем?

3. Как рассчитать дополнительное сопротивление к вольтметру?

4. Как можно расширить пределы измерения гальванометра, если его использовать: а) для измерения напряжения; б) для измерения силы тока?

5. Как рассчитать сопротивление шунта к амперметру?

6. Что такое класс точности прибора? Что такое запас прочности прибора? Как по классу точности прибора рассчитать его абсолютную погрешность?

7. Чему равен класс точности магазина сопротивлений и вольтметра? чему равна погрешность измерения авометра? Вычисленное или измеренное сопротивление вольтметра имеет большую точность? Почему?

Измерение индукции магнитного поля постоянного магнита.

Индукцию однородного магнитного поля В можно определить  путем измерения магнитного потока Ф, пронизывающего контур с площадью поперечного сечения S, в плоскости, перпендикулярной  вектору индукции В: Ф=ВS. Для измерения магнитного потока Ф, пронизывающего контур, можно воспользоваться явлением электромагнитной индукции: при быстром удалении контура из магнитного поля магнитный поток, пронизывающий его, изменяется от величины Ф до нуля; величина ЭДС индукции, возникающей при этом в контуре, определяется выражением: Е=Ф/t=BS/t. При удалении из магнитного поля катушки, содержащей N витков, величина ЭДС индукции в N раз больше, чем в контуре: Е=NBS/t. Если концы катушки замкнуты на гальванометр, то при удалении из магнитного поля постоянного магнита в ее цепи протекает индукционный ток I. Разделив обе части уравнения на величину полного сопротивления цепи R, получим: E/R=NBS/(Rt), или It=q=NBS/R, откуда B=qR/(NS). Последнее выражение показывает, что индукция магнитного поля В пропорциональна количеству электричества q, протекающего через катушку при удалении ее из магнитного поля, прямо пропорциональна полному сопротивлению R цепи и обратно пропорциональна площади поперечного сечения S катушки и числу витков N в ней. Следовательно, для определения индукции магнитного поля В необходимо измерить количество электричества q, протекающего в катушке при быстром удалении ее (выдергивании) из исследуемой области магнитного поля. Это можно сделать с помощью гальванометра, шкала которого заранее проградуирована в кулонах.

Выполнение работы.

Оборудование: магнит подковообразный, катушка из набора по электромагнетизм, гальванометр типа М 273-9, омметр, линейка измерительная.

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов вычислений и измерений.

2. Измерьте диаметр D катушки и вычислите площадь S ее поперечного сечения, сосчитайте число витков N в катушке.

3. Присоедините выводы катушки к зажимам гальванометра. Введите катушку в магнитное поле постоянного магнита, расположив ее плоскость перпендикулярно линиям индукции.

4. Быстро удалите магнит и измерьте число делений n, на которое отклонилась стрелка гальванометра по шкале. Повторите опыт не менее 5 раз, определите среднее значение отброса ncp и найдите величину заряда q, протекающего в цепи катушки.

5. За полное сопротивление цепи R возьмите сопротивление включенного в цепь резистора, поскольку сопротивление гальванометра и сопротивление катушки малы по сравнению с сопротивлением резистора.

6. Используя найденные значения величины заряда q и сопротивления R, Вычислите индукцию В постоянного магнита.

7. Результаты всех измерений и вычислений занесите в таблицу.

Контрольные вопросы

1. Зависит ли отброс стрелки гальванометра от скорости движения магнита?

2. Какими способами можно увеличить  чувствительность лабораторной установки, использованной в данной работе?

3. Зачем в данной работе используют добавочное сопротивление?

4. Почему опыт проводится не менее 5 раз?

Работа № 3

Измерение мощности электрического тока

Цель работы: Ознакомиться с принципом действия электронагреваельных приборов и способами измерения мощности электрического тока. Измерьте мощность электрического тока в проволочной спирали с помощью амперметра и вольтметра. Определите мощность электрического тока, измеряя количество теплоты, выделяемое проволочной спиралью за определенное время. Сравните значения мощности, полученные двумя методами.

Оборудование: Источник постоянного тока, проволочная спираль, амперметр, вольтметр, калориметр, вода, термометр, секундомер, электрический ключ, измерительный цилиндр.

Содержание и метод выполнения работы.

При прохождении электрического тока в металле свободные электроны сталкиваются с отдельными атомами и передают им часть своей кинетической энергии. В результате таких столкновений происходит нагревание проводника. Количество выделяющейся в проводнике теплоты Q равно работе электрического тока А:                 A = Q.                (1)

Если напряжение на проводнике U, а сила тока в проводнике I, то мощность тока равна:         P=UI (2)         а работа электрического тока за время t равна:                 A=Pt=IUt.         (3)

Если выделившаяся в проводнике за время t теплота Q израсходована на нагревание вещества массой m с удельной теплоемкостью с на ∆T градусов, то мощность Р электрического тока можно вычислить по формуле                 P=Q/t=cm∆T/t                  (4)

Ход работы

1. Налейте в измерительный цилиндр 100 см3 воды и вылейте эту воду в стакан калориметра.

2. Установите в калориметре термометр. Измерьте начальную температуру Т1 воды. Опустите проволочную спираль в воду.

3. Соедините проволочную спираль, источник тока, ключ, амперметр и вольтметр по схеме, изображенной на рисунке. Замкните цепь ключом и одновременно включите секундомер. Запишите показания амперметра и вольтметра в отчетную таблицу. Вычислите мощность Р, тока по формуле (2) и запишите результаты в таблицу.

4. Следите за изменением показаний термометра и, когда температура воды в калориметре повысится на ∆Т=10 К, остановите секундомер и определите время t нагревания.

5. По известным значениям удельной теплоемкости воды с, ее массы m, изменения температуры ∆T и времени нагревания t вычислите мощность Р2 электрического тока по формуле (4).

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

6. Сравните полученные значения мощности P1 и P2 и сделайте выводы.

Контрольные вопросы

1. Почему при прохождении электрического тока по проводнику происходит его нагревание?

2. Почему результаты, полученные при определении  мощности электрического тока по формулам (2) и (4), несколько отличаются?

3. Какое из двух полученных значений мощности электрического тока P1 и P2 вы считаете более точным и почему?

Измерение удельного сопротивления проводника

Оборудование: реостат, амперметр, вольтметры, соединительные провода, нитки, линейка с миллиметровыми делениями, источник постоянного тока.

Ход работы

Для выполнения работы необходима проволока с большим удельным сопротивлением. Удельное электрическое сопротивление проводника можно вычислить, используя формулы , , где d - диаметр проводника, – длина проводника, D – диаметр витка катушки (определяется с помощью нитки). Сопротивление проводника можно измерить используя закон Ома (в вашей работе сопротивление реостата указано на корпусе). Формула для расчета удельного электрического сопротивления будет иметь вид: .

Проделайте необходимые измерения, вычислите значение удельного электрического сопротивления проводника реостата, оцените точность ваших измерений, сравнив полученный результат с табличным определите материал из которого изготовлен проводник.

Удельное электрическое сопротивление изменяется при нагревании проводника. Прохождение тока через проводник сопровождается выделением теплоты. Согласно закона Джоуля - Ленца количество выделившейся теплоты вычисляется по формуле: . Здесь предполагается, что сила тока и сопротивление проводника не изменяются. При изменении температуры проводника по мере прохождения по нему тока его сопротивление увеличивается. Это приводит к уменьшению силы тока в цепи.

Соберите цепь из реостата, выпрямителя, амперметра и вольтметра (если надо используйте два вольтметра). Установите движок реостата примерно на середине. Напряжение на источнике питания установите так, чтобы сила тока в цепи реостата составляла примерно 1,5-1,8 А.

Работа № 4

Опытная проверка закона Бойля-Мариотта

Оборудование: стеклянная, запаянная с одного конца трубка (600 мм, d=10 мм), цилиндрический сосуд (600 мм, D=40 мм), рулетка, барометр.

Содержание и метод выполнения работы

Для проверки закона Бойля-Мариотта необходимо измерить давление и объём постоянной массы газа в двух состояниях и подтвердить, что р0V0=p1V1. Возьмём стеклянную трубку с воздухом объёмом V0=Sℓ, где S - площадь сечения трубки, ℓ- её длина, находящуюся при атмосферном давлении р0. Если опустить её открытым концом в сосуд с водой, то давление воздуха увеличится на gh, а объём уменьшится на Sx.

Запишем закон Бойля-Мариотта для двух состояний воздушного столба: роSℓ=(ро+gh)S(ℓ-х).

Если это равенство выполняется, то можно предположить, что закон Бойля-Мариотта выполняется.

Ход работы

1. Измерьте атмосферное давление (барометр).

2. Опустите трубку открытым концом в сосуд с водой, измерьте разность уровней воды в цилиндре и в трубке h, а также высоту столба жидкости в трубке х. Все показания запишите.

3. Рассчитайте значения роSℓ и (ро+gh)S(ℓ-х), а так же их относительные и абсолютные погрешности.

4. Сделайте вывод.

5. Заполните стеклянную трубку водой примерно на половину. Измерьте высоту воздушного столба ℓ1 в трубке. Закройте ее сверху, переверните дном вверх и опустите в сосуд с водой. Удерживая трубку в вертикальном положении выньте ее из воды. Измерьте величину столба воздуха в трубке ℓ2 и величину оставшегося столбика воды ℓ. По этим данным вычислите атмосферное давление и сравните его с показаниями барометра. Почему не вся вода выливается из трубки?

Контрольные вопросы

1. Как увеличить точность эксперимента?
2. Объясните закон Бойля Мариотта с точки зрения молекулярно-кинетической теории.

Изучение изотермического процесса в газе.

Цель работы: выполнить экспериментальную проверку закона Бойля-Мариотта, сравнивая параметры газа в двух термодинамических состояниях.

Оборудование: барометр, трубки, соединенные резиновым жгутом, полоска миллиметровой бумаги, линейка измерительная, штатив.

Порядок выполнения работы.

Собрать установку, изображенную на рисунке. В трубки, соединенные резиновым шлангом налить столько воды, чтобы ее уровни были около нижнего конца неподвижной трубки и верхнего конца подвижной трубок. Затем верхний конец неподвижной трубки закрыть плотно пробкой, отметить начальный уровень и произвести изменения давления воздуха, заключенного в этой трубке. С этой целью подвижную трубку несколько раз переместить вверх. Давление воздуха в неподвижной трубке вычисляют по формуле: р=(р0+h/13,6) мм рт. ст., где – атмосферное давление в мм рт. ст., h – разность уровней воды в трубках в мм.

Объем воздуха в трубке в любом состоянии равен V+SL, где S – площадь поперечного сечения трубки, L- длина трубки, занятая воздухом. В работе необходимо проверить равенство p1V1=p2V2. Так как сечение трубки постоянно, то проверке подлежит равенство p1L1=p2L2=c. Результаты измерений и вычислений не менее пяти опытов занести в таблицу.

Оценка погрешности сводится к сравнению отношения с1/с2 с 1. На рассматриваемом уровне нельзя сделать анализ причин расхождения констант процесса, так как погрешности относятся к систематическим. Погрешность давления p есть сумма основной погрешности барометра p1=3 мм рт. ст. (погрешностью отсчета 0,5 мм рт. ст. можно пренебречь) и систематической погрешности p2, обусловленной наличием водяных паров. Как оценить p2? В первом состоянии давление пара равно его давлению в атмосферном воздухе. При температуре 200С и влажности порядка 70% парциальное давление водяного пара в воздухе составляет 0,718 мм рт. ст.=13 мм рт. ст. В любом другом состоянии пары в трубке насыщенные (давление 18 мм рт. ст.). Следовательно, изменение лавления, обусловленное переходом паров в насыщенные, и есть систематическая погрешность p2. Она равна 5 мм рт. ст. Итак, p=3 мм рт.ст.+5 мм рт. ст.

Погрешность измерение объема главным образом определяется погрешностью отсчета (если трубка калибрована по всей длине). Она может быть оценена в 5 мм из-за меникса и произвольного расположения пробки по отношению к оси трубки.

Итак, с0,02. Абсолютная погрешность измерений с=сс. Интервалы сс для любых двух состояний должны перекрываться.

Для вывода о достоверности следует иметь в виду следующее важнейшее обстоятельство, относящееся к эксперементальной иллюстрации законов всех процессов, включая уравнение состояния: относительное измерение любого из праментров должно быть по крайней мере в 2 раза больше относительной погрешности с измерения константы с, чтобы эксперемент был корректен. Так как с2%, то изменение давления и объема должно быть не меньше 4%.

Исследование полной цепи постоянного тока.

Оборудование: проволочный реостат, батарейка 4,5 В, амперметр, вольтметры, соединительные провода.

Ход работы.

1. Возьмите из источник тока 4,5 В и подключите к нему проволочный реостат. Изменяя сопротивление от 10 до 1 Ом (10 опытов) измерьте силу тока в цепи и напряжение на полюсах источника. Полученные данные занесите в таблицу.

2. По данным эксперимента постройте графики зависимости I(R), U(R), U(I). По полученному линейному графику определите значение ЭДС источника, его внутреннее сопротивление, ток короткого замыкания.

Примечание. Все экспериментальные точки на графиках откладываются с учетом погрешностей. Расчетные формулы и формулы для вычисления погрешностей должны быть записаны в ходе работы. Схема опыта обязательна!

Контрольные вопросы.

1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи постоянного тока.
2. Получите формулы зависимости графики которых надо построить в п. 2, объясните ход графиков
3. Вольтметр, подключенный к клеммам источника тока показывает напряжение 4,5 В. Лампочка от карманного фонарика, рассчитанная на напряжение 3,5 В, подключенная к этому источнику тока не горит. Почему?

Исследование полной цепи постоянного тока.

Оборудование: проволочный реостат, батарейка 4,5 В, амперметр, вольтметры, соединительные провода.

Ход работы.

1. Возьмите из источник тока 4,5 В и подключите к нему проволочный реостат. Изменяя сопротивление от 10 до 1 Ом (10 опытов) измерьте силу тока в цепи и напряжение на полюсах источника. Полученные данные занесите в таблицу.

2. По данным эксперимента постройте графики зависимости I(R), U(R), U(I). По полученному линейному графику определите значение ЭДС источника, его внутреннее сопротивление, ток короткого замыкания.

Примечание. Все экспериментальные точки на графиках откладываются с учетом погрешностей. Расчетные формулы и формулы для вычисления погрешностей должны быть записаны в ходе работы. Схема опыта обязательна!

Контрольные вопросы.

4. Сформулируйте закон Ома для полной цепи постоянного тока.
5. Получите формулы зависимости графики которых надо построить в п. 2, объясните ход графиков
6. Вольтметр, подключенный к клеммам источника тока показывает напряжение 4,5 В. Лампочка от карманного фонарика, рассчитанная на напряжение 3,5 В, подключенная к этому источнику тока не горит. Почему?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

Тема: ПРОВЕРКА ЗАКОНА ГУКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА РЕЗИНЫ

Цель работы: проверить выполнение равенства  при малых деформациях, определить предел пропорциональности для резины и модуль упругости.

Средства измерения и материалы: набор грузов, масса каждого равна m = 0,050 кг, а погрешность m = 0,002 кг, линейка с миллиметровыми делениями; штатив с муфтами и лапкой, резиновый жгут.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте значение ширины a резинового жгута. Толщина жгута b=____ мм. вычислите площадь поперечного сечения жгута S = ab мм2 = ____10-6 м2.

2. Закрепите на штативе один конец жгута (другой конец пружины снабжен петелькой), отметьте на жгуте две метки на ℓ0= ___________ см (порядка 10 см).

3. Подвесьте к жгуту груз массой 50 г и измерьте длину растянутого жгута ℓ.

4. К первому грузу добавьте второй, третий и т д грузы, записывая каждый раз длину пружины. По результатам измерений заполните таблицу (всего 5-8 опытов):

5. По результатам измерений постройте график зависимости силы упругости от удлинения и, пользуясь им, определите среднее значение жесткости пружины kср

6. Рассчитайте относительную погрешность, с которой найдено значение kср

7. Найдите  и запишите ответ в виде: k = kср ± k.

8. По виду графика определите предел пропорциональности для резинового жгута.

9. Сделайте вывод.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

Тема: ПРОВЕРКА ЗАКОНА ГУКА. ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ ЮНГА РЕЗИНЫ

Цель работы: проверить выполнение равенства  при малых деформациях, определить предел пропорциональности для резины и модуль упругости.

Средства измерения и материалы: набор грузов, масса каждого равна m = 0,050 кг, а погрешность m = 0,002 кг, линейка с миллиметровыми делениями; штатив с муфтами и лапкой, резиновый жгут.

Порядок выполнения работы

1. Измерьте значение ширины a резинового жгута. Толщина жгута b=____ мм. вычислите площадь поперечного сечения жгута S = ab мм2 = ____10-6 м2.

2. Закрепите на штативе один конец жгута (другой конец пружины снабжен петелькой), отметьте на жгуте две метки на ℓ0= ___________ см (порядка 10 см).

3. Подвесьте к жгуту груз массой 50 г и измерьте длину растянутого жгута ℓ.

4. К первому грузу добавьте второй, третий и т д грузы, записывая каждый раз длину пружины. По результатам измерений заполните таблицу (всего 5-8 опытов):

5. По результатам измерений постройте график зависимости силы упругости от удлинения и, пользуясь им, определите среднее значение жесткости пружины kср

6. Рассчитайте относительную погрешность, с которой найдено значение kср

7. Найдите  и запишите ответ в виде: k = kср ± k.

8. По виду графика определите предел пропорциональности для резинового жгута.

9. Сделайте вывод.

Наблюдение зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры и природы граничащих сред.

Оборудование: стаканы низкие с холодной и горячей водой, пробирка с крошками пробки, кусочек сахара, кусочек мыла, кусочек марли, шарик из пластилина диаметром 2-3 мм, петля проволочная.

Цель работы: обнаружить зависимость поверхностного натяжения жидкости от температуры и поверхностно активных веществ.

Ход работы.

Исследуемой жидкостью служит вода. Индикатором наличия и изменения ее поверхностного натяжения – пластилиновый шарик и крошки пробки, а поверхностно активными веществами: мыло и сахар.

Вначале пронаблюдайте зависимость поверхностного натяжения от температуры. Пластилиновый шарик диаметром 2-3 мм с помощью проволочной петли осторожно положите на поверхность холодной воды в стакане. Пронаблюдайте плавание шарика и убедитесь в наличии силы поверхностного натяжения. Обратите внимание на степень прогиба воды под шариком, подобно упругой пленке. Зарисуйте наблюдаемое явление. Чтобы у вас не возникло ложного представления о том, что плавание шарика обусловлено действием силы Архимеда, погрузите шарик полностью в воду и убедитесь в том, что он тонет. Достаньте шарик со дна стакана с помощью проволочной петли и снова осторожно положите его на поверхность воды. Обратите внимание на прогибание воды под шариком. Затем перенесите шарик в стакан с горячей водой. Как изменился прогиб воды под шариком? (Внимание! Если шарик сильно большой, то он может утонуть в горячей воде). Сделайте вывод о зависимости силы поверхностного натяжения от температуры.

Далее пронаблюдайте зависимость поверхностного натяжения воды от прикосновения поверхностно активных веществ. Поверхность холодной воды равномерно посыпьте пробкой, просеивая ее равномерно через марлю из пробирки. Коснитесь кусочком мыла, а затем кусочком сахара воды. Опишите наблюдаемые явления. Сделайте вывод о влияние сахара и мыла на поверхностное натяжение воды.

Успех вашего опыта зависит от правильного подбора размера шарика, чистоты воды и посуды. Наблюдение зависимости поверхностного натяжения жидкости от температуры и природы граничащих сред.

Лабораторная работа №1

Определение электроемкости конденсатора.

Цель работы: Ознакомиться с назначением и принципом действия электрического конденсатора. Определить емкость неизвестного конденсатора. Проверить формулы С=С1+С2 для параллельного соединения конденсаторов и  для последовательного соединения конденсаторов.

Оборудование: батарея конденсаторов с обозначением емкости ( от 0,5 до 20 мкФ), конденсаторы неизвестной емкости, микроамперметр, источник постоянного тока, переключатель двухполюсный, соединительные провода.

Содержание и метод выполнения работы.

Если заряжать конденсатор постоянной емкости от одного и того же источника постоянного напряжения, а затем разряжать его через гальванометр, то стрелка гальванометра всякий раз будет отбрасываться на одно то же число делений. При конденсаторах другой емкости гальванометр покажет иную величину отброса стрелки. Имея конденсаторы известной емкости (эталоны), можно на опыте убедиться, что величина емкости конденсатора С прямо пропорциональна числу делений n, на которое отбрасывается стрелка гальванометра С=kn. Отсюда легко определить коэффициент пропорциональности k=C/n, представляющий собой электроемкость, соответствующую одному делению. Зная коэффициент и повторив опыт с конденсатором неизвестной емкости, можно определить его емкость по отбросу стрелки гальванометра.

Ход работы.

1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и вычислений.

(Для определения коэффициента k необходимо построить график C(n) и определить его угол наклона. Для построения графика вам понадобится не менее 10 экспериментальных точек! Среднее значение k определяется по графику. Можно использовать электронные таблицы.)

2. Составьте электрическую цепь № 1 из источника постоянного напряжения, конденсатора известной емкости, гальванометра (миллиамперметра) и двухполюсного переключателя.

3. Зарядите конденсатор. Для этого соедините переключателем на короткое время цепь с источником тока. Затем, сосредоточив внимание на стрелке гальванометра, быстрым движением переключателя замкните цепь на гальванометр и заметьте по шкале максимальное отклонение (отброс) стрелки гальванометра, отсчитывая на глаз десятые доли деления. Опыт повторите несколько раз, чтобы точнее измерить показания стрелки.

4. Выполните этот опыт с конденсаторами других емкостей и определите значение k=C/n.

5. В электрическую цепь включите конденсатор неизвестной емкости и определите на сколько делений отклонится стрелка гальванометра в этом случае, зная коэффициент пропорциональности k вычислите Сх для каждого из трех конденсаторов.

6. Два конденсатора известной емкости № 2 и № 3 включите в цепь сначала параллельно, а затем последовательно и определите их общую емкость в каждом случае указанным выше способом.

7. Вычислите, по известным вам формулам, общую емкость конденсаторов при параллельном и последовательном соединениях. Сравните результаты с теми, которые были получены на опыте.

Контрольные вопросы.

1. Как надо подбирать предел измерения миллиамперметра, чтобы не повредить прибор?
2. Почему отклонение стрелки прямо пропорционально емкости конденсатора?
3. Как и почему определяется погрешность измерений в данной работе?

Работа № 4

Определение температуры нити лампы накаливания

Цель работы: исследовать зависимость электрического сопротивления металлов от температуры. Измерьте электрическое сопротивление нити лампы накаливания при комнатной температуре и при свечении нити лампы. Определите температуру светящейся нити.

Оборудование: лампа накаливания (6,3 В), вольтметр (до 15 В), авометр АВО-63, источник электропитания ИЭПП-2, соединительные провода.

Содержание и метод выполнения работы.

Зависимость электрического сопротивления R, металлов от температуры выражается формулой R=R0(l+t), где R — электрическое сопротивление металлического образца при температуре t; R0 — электрическое сопротивление его при 0°С;  — температурный коэффициент электрического сопротивления для данного вещества. Если известны значения электрического сопротивления образца R0 при 0°С и R, в нагретом состоянии, а также температурный коэффициент электрического сопротивления а, то температуру t можно вычислить по формуле t=(R/R0-1)/

Ход работы

1. Измерьте электрическое сопротивление нити лампы накаливания при комнатной температуре с помощью омметра. Считайте полученное значение примерно равным электрическому сопротивлению R0 нити лампы при 0°С.

2. Подключите лампу к выводам источника электропитания. Измерьте силу тока в цепи при напряжении 6,3 В на концах нити лампы. Вычислите электрическое сопротивление R, нити лампы в нагретом состоянии:         R=U/I

3. По найденным значениям электрического сопротивления нити лампы R и R0 и известному значению температурного коэффициента электрического сопротивления вольфрама =4,810-3 К-1 вычислите температуру t нити лампы. Оцените границы погрешностей измерений.

Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

Контрольные вопросы

1. Почему электрическое сопротивление металлов зависит от температуры?

2. Каковы основные источники погрешностей измерений в данном эксперименте?

3. Каким способом можно повысить точность измерений в данном эксперименте?

4. Почему в данной работе электрическое сопротивление нити лампы при комнатной температуре можно считать приблизительно равным ее электрическому сопротивлению при 0°С?

Работа № 7

Измерение поверхностного натяжения воды методами отрыва капель и поднятия жидкости в капилляре

Оборудование: весы учебные со штативом и набором разновесов; штангенциркуль; клин измерительный из жести размером 110 см; иголка; линейка измерительная длиной 30 см с миллиметровыми делениями; колба коническая, стакан низкий, воронка конусообразная с коротким стеблем; трубка резиновая с краном и стеклянным наконечником диаметром 3-4 мм; штатив для фронтальных работ; вода дистиллированная.

Содержание и метод выполнения работы

Поверхностное натяжение определяется отношением модуля силы F, действующей на границу поверхностного слоя жидкости, к длине этой границы ℓ: =F/ℓ (1). Поверхностное натяжение  - зависит от природы граничных сред и температуры жидкости. В данной работе поверхностное натяжение жидкости предлагается измерить двумя способами: методом отрыва капель и методом поднятия жидкости в капилляре. Для измерения  первым методом собирают установку по рисунку 1. В лапке штатива закрепляют воронку 1, на которую надета резиновая трубка, соединенная с краном 2 и стеклянным наконечником 3. В воронку наливают дистиллированную воду и с помощью крана регулируют ее вытекание так, чтобы вода отдельными каплями падала в подставленный стакан. В момент отрыва капли модуль силы поверхностного натяжения F равен модулю силы тяжести Fтяж, действующей на каплю массой m: F=Fтяж, или D=mg. Отсюда =mg/(D) (2). Для повышения точности измеряют массу n капель и вычисления ведут по формуле =Mg/(nD) (3), где М - масса вылившейся воды, g - модуль ускорения свободного падения, n - число капель воды, D - внутренний диаметр стеклянной трубки наконечника.

При измерении  вторым методом капиллярную трубку опускают в стакан с водой и измеряют высоту поднятия воды h в капилляре (рис. 2). Жидкость поднимается в капилляре до тех пор, пока сила поверхностного натяжения F не уравновесит силу тяжести Fтяж, действующую на поднятую воду: D=D2hg/4. Отсюда =ghD/4 (4), где  - плотность жидкости, g - модуль ускорения свободного падения, h - высота подъема жидкости в капилляре, D - диаметр капилляра. Внутренний диаметр стеклянной трубки измеряют измерительным клином и штангенциркулем, высоту поднятия воды в капилляре - измерительной линейкой.

Порядок выполнения работы

1. Измерение поверхностного натяжения воды методом отрыва капель

1. Соберите установку по рисунку 1.

2. С помощью измерительного клина и штангенциркуля измерьте диаметр стеклянной трубки наконечника 3.

3. Измерьте массу пустого стаканчика с точностью до 0,01 г.

4. Закройте кран 2 (см. рис. 1) и налейте в воронку дистиллированную воду. Поставьте под трубкой колбу и, постепенно открывая кран, добейтесь, чтобы вода из трубки вытекала отдельными каплями с частотой 30 - 40 капель в минуту. В этом случае можно считать, что отрыв капель происходит только под действием силы тяжести.

5. Поставьте под трубку пустой стакан и, отсчитав 80 - 100 капель отодвиньте его.

6. Вторично взвесьте стакан и определите массу вылившейся воды.

7. Вычислите поверхностное натяжение воды по формуле (3).

8. Вычислите абсолютную и относительную погрешность коэффициента поверхностного натяжения.

2. Измерение поверхностного натяжения воды методом поднятия жидкости в капилляре.

1. С помощью иглы и штангенциркуля измерьте диаметр капилляра.

2. Опустите капилляр в воду и измерьте высоту ее подъема в капилляре.

3. Повторите измерения несколько раз и найдите среднее значение hср.

4. Вычислите поверхностное натяжение воды по формуле (4).

5. Оцените погрешность коэффициента поверхностного натяжения. Выполнить сравнение полученного вами результата с табличным и полученным в задании 1.

6. Сравните результаты измерений  двумя методами и сделайте вывод.

Контрольные вопросы

1. Почему в работе используют дистиллированную воду?

2. Какой метод измерения поверхностного натяжения дает наиболее точный результат?

3. Какая из измеряемых в работе величин больше всего влияет на относительную погрешность?

Работа № 8

Измерение поверхностного натяжения воды методом отрыва петли

Оборудование: динамометр типа ДПН с принадлежностями; штатив для фронтальных работ; вода дистиллированная; линейка измерительная длиной 30 см с миллиметровыми делениями.

Содержание и метод выполнения работы

Свободная поверхность жидкости в состоянии равновесия стремится к минимуму, жидкость как бы стягивается упругой поверхностной пленкой, стремящейся к уменьшению своей площади. При образовании тонкой пленки шириной ℓ вдоль границы поверхности жидкости действует сила поверхностного натяжения F, равная F=2ℓ (1), где  - поверхностное натяжение; множитель 2 стоит по той причине, что пленка имеет две поверхности. Отсюда =F/(2ℓ) (2). Модуль силы поверхностного натяжения F измеряется чувствительным динамометром типа ДПН, а ширину пленки, равную ширине проволочной петли - измерительной линейкой. Динамометр типа ДПН (рис.) состоит из корпуса 2, внутри которого помещена измерительная пружина 1, имеющая прямой конец с острым зацепом 3. Зацеп предназначен для соединения петли 4 с измерительной пружиной динамометра. Для отсчета показаний по шкале на измерительной пружине закреплена стрелка 5. Исследуемая жидкость наливается в чашку 6. Для измерения поверхностного натяжения проволочную петлю полностью погружают в жидкость, а затем медленно вытягивают из жидкости. При этом на петле образуется пленка. Когда сила упругости пружины динамометра станет по модулю равна силе поверхностного натяжения F, пленка разрывается.

Ход работы

1. Изучите устройство динамометра ДПН.

2. Подготовьте прибор к выполнению измерений. Для этого в открытый зацеп 3 подвесьте петлю 4. Придерживая установочный винт 7, отверните стопорный винт 8. Вращая стакан 6 и нажимая на головку винта 8, установите стрелку динамометра на нулевое деление шкалы. Завинтите стопорный винт.

3. Налейте в чашку 6 дистиллированную воду и установите ее на подставку 10, поднимите чашку с жидкостью до такого уровня, чтобы петля полностью погрузилась в воду.

4. Медленно опускайте чашку с водой до тех пор, пока не разорвется пленка жидкости, тянущейся за петлей. Замерьте по шкале динамометра силу разрыва пленки.

5. Повторите измерения не менее чем три раза с каждой проволочкой.

6. Среднее значение измерений для каждой проволочки занесите в таблицу.

7. По данным опытов с учетом погрешностей измерений постройте график зависимости F(ℓ).

8. По графику определите значение коэффициента поверхностного натяжения и его погрешность.

9. Сравните полученное значение коэффициента поверхностного натяжения для воды с табличным и сделайте вывод о точности эксперимента.

Контрольные вопросы

1. Что называется поверхностным натяжением жидкости?

2. Почему в формуле (2) стоит множитель 2?

3. Почему измерение модуля силы поверхностного натяжения воды проводилось не с прямолинейным отрезком проволоки, а с петлей, имеющей П-образную форму?

4. Как зависит поверхностное натяжение жидкости от температуры?

5. Почему полученное экспериментальное значение меньше табличного (или больше)?

Снятие вольт - амперной характеристики полупроводникового диода

Оборудование: диод полупроводниковый на колодке; источник электропитания; миллиамперметр постоянного тока; микроамперметр; реостат; милливольтметр; комплект соединительных проводов.

Содержание и метод выполнения работы

Работу выполняют с полупроводниковым диодом. Полупроводниковый диод состоит из монокристаллической пластинки германия 6 (рис. 1), обладающей электронной проводимостью за счет небольшой добавки донорной примеси. Для создания n — р - перехода не годится простое механическое соединение двух полупроводников с разными типами проводимости, так как при этом между полупроводниками получается большой зазор. Толщина же n — р - перехода должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей пластинки германия вплавляют индий. В рассматриваемом диоде капля индия 5 вплавлена в верхнюю часть пластинки германия, а нижняя часть пластинки припаяна оловом 7 к металлическому корпусу 4. В процессе плавления атомы индия диффундируют внутрь германия и образуют поверхностную область с дырочной проводимостью. Остальная часть пластинки, куда атомы индия не проникли, осталась с электронной проводимостью. В результате в пластинке образовались две резко разграниченные области с различными видами проводимости: электронно-дырочный переход.

Герметически закрытый сварной металлический корпус 4, в который помещена пластинка германия, изолирует ее от вредных воздействий атмосферного воздуха и света, обеспечивая устойчивую работу электронно-дырочного перехода. От пластинки сделаны два вывода 3, причем один из них (верхний) проходит в металлической трубке 1, изолированной от корпуса стеклом 2. Металлический корпус выгнут наподобие полей шляпы (радиатор 8) для лучшего охлаждения, так как с повышением температуры снижаются выпрямляющие свойства полупроводниковых диодов (с возрастанием температуры возрастает концентрация неосновных носителей тока, следовательно, возрастает и обратный ток).

При отсутствии внешнего электрического поля через n-p переход диода взаимно диффундируют основные носители заряда: электроны из  n- германия диффундируют в р -германий, а дырки из р - германия переходят в n - германий. В результате по обе стороны границы раздела двух полупроводников образуются объемные заряды различных знаков, а вместе с ними и электрическое поле. Это поле препятствует диффузии основных носителей заряда и поддерживает обратное движение неосновных носителей заряда, т.е. дырки из n-области перемещаются в р-область, а электрона из р-области в n-область.

При встречном движении электронов и дырок часть из них рекомбинируют, в результате в переходе n-p образуется слой толщиной 10-4-10-5 см, обедненный подвижными носителями заряда. Этот слой называют запирающим слоем. Несмотря на малую толщину, запирающий слой составляет главную часть сопротивления диода.

При отсутствии внешнего электрического поля токи, образованные движением основных и неосновных носителей заряда, равны по абсолютной величине и противоположны по направлению, поэтому сила тока через переход равна нулю.

При действии на диод внешнего электрического поля, направленного от дырочного полупроводника к электронному электрическое поле в переходе n-p слабеет, основные носители зарядов движутся к границе раздела двух полупроводников, толщина и сопротивление запирающего слоя уменьшаются, в результате чего диффузионный ток основных носителей заряда возрастает и общая сила тока через переход становится неравной нулю. Ток, образованный движением основных носителей заряда и направленный от дырочного полупроводника к электронному называют прямым током диода.

С изменением  полярности приложенного напряжения электрическое поле перехода n-p возрастает и диффузионное движение основных носителей заряда через переход прекращается: электрическое поле удаляет основные носители зарядов из пограничных слоев в глубь электронной и дырочной областей. Поэтому толщина запирающего слоя увеличивается, а сопротивление возрастает. Однако небольшой ток и в этом случае течет через диод, он создается движением неосновных носителей заряда. Этот ток направлен от электронного полупроводника к дырочному и называется обратным током диода. В зависимости от направления тока в диоде приложенное к нему напряжение, а так же сопротивление диода называют прямым или обратным.

В данной работе надо исследовать зависимость сил прямого и обратного токов диода от приложенных к нему напряжений и построить графики этих зависимостей.

Порядок выполнения работы.

1. Подготовьте в тетради две таблицу для записи результатов измерений и вычислений:

2. Исследуйте зависимость силы прямого тока от приложенного к диоду напряжения. Для этого соберите электрическую цепь по схеме, указанной на рисунке 2. Диод включите в пропускном направлении, обратив внимание на знаки “+” и “-”, указанные на его панели. Источник тока соединяем с диодом через реостат сопротивлением 100 Ом. Напряжение на диоде измеряют цифровым вольтметром с пределом измерения до 1 В. Силу прямого тока диода измеряют миллиамперметром, включенным вначале со шкалой 50 мА а затем со шкалой 250 мА. Увеличивая напряжение на диоде каждый раз примерно на 0,02 В до тех пор, пока можно снимать показания миллиамперметром, запишите показания обоих приборов в таблицу 1.

Предупреждение: сила прямого ток диода не должна превышать 300 мА, иначе диод выйдет из строя.

3. Исследуйте зависимость обратного тока от приложенного к диоду напряжения. Для этого соберите электрическую цепь по новой схеме, изображенной на рисунке 3. Обратите внимание на включение диода и вольтметра. Источником питания здесь служит источник электропитания переменного напряжения. Напряжение на диод подают непосредственно с источника питания и измеряют вольтметром встроенным в источник питания. Силу тока измеряют микроамперметром. Увеличивая напряжение на 5 В (до 25 В), каждый раз измеряйте силу обратного тока диода. Результаты измерений запишите в таблицу.

4. По данным двух таблиц постройте графики зависимости силы тока от приложенного напряжения. Силу прямого тока и прямое напряжение считайте положительными, а обратные отрицательными. По оси абцис отложите напряжение в вольтах, а по оси ординат силу тока в миллиамперах. Масштаб для прямого напряжения: 1 см - 0,1 В, для обратного 1 см - 0,2 В.

Контрольные вопросы.

1. Почему при измерении прямого  тока в диоде все соединения должны иметь хорошие контакты?

2. Почему опасно подавать прямое напряжение на диод более 0,5 В?

3. Почему длительное прохождение прямого тока изменяет сопротивление диода?

4. Зачем изменяют схему включения приборов, когда измеряют силы прямого и обратного токов в диоде?

5. На каком участке вольт - амперной характеристики сопротивление диода остается почти постоянным?

Определение постоянной Больцмана.

Оборудование: сосуд стеклянный, манометр водяной, шприц медицинский для инъекций (универсальный), этиловый спирт.

Содержание и метод выполнения работы.

Давление газа р, его абсолютная температура Т и концентрация молекул n связаны между собой соотношением p=nkT, где k - постоянная Больцмана. Из этого выражения следует, что для экспериментального определения постоянной Больцмана необходимо измерить концентрацию молекул, давление и температуру: k=p/(nT). Концентрацию молекул газа с известной молярной массой легко подсчитать, если известна масса газа m занимающего объем V: . С учетом этого выражение для определения постоянной Больцмана принимает вид:  (*).

Установка для определения постоянной Больцмана представлена на рисунке. Герметически закрытый сосуд объема V соединен резиновым шлангом с водяным манометром. Сосуд заполнен воздухом при атмосферном давлении, поэтому уровни водяного столба в обоих коленах манометра одинаковы. Если шприцем ввести внутрь сосуда жидкий этиловый спирт, то он быстро испарится и равнораспределится по всему объему сосуда. Парциальное давление паров эфира р уравновешивается давлением водяного столба в правом колене манометра. Отсчет давления производится после того, как уровень водяного столба перестает изменяться. Температура паров эфира при этом равна комнатной. Подставляя результаты измерений в формулу, полученную выше, можно вычислить постоянную Больцмана.

Порядок выполнения работы

1. Наберите в шприц 2 - 3 см3 этилового спирта и введите внутрь сосуда. Иглу из пробки вынимать не следует.

2. Через 1 - 2 минуты измерьте парциальное давление, создаваемое парами эфира р и выразите его в паскалях. давление 1 см водяного столба можно принять равным 100 Па.

3. Измерьте комнатную температуру и  выразите ее в Кельвинах.

4. Подсчитайте массу введенного в сосуд эфира в килограммах. Плотность жидкого этилового спирта 790 кг/м3.

5. Вычислите по формуле (*) постоянную Больцмана.

6. Результаты измерений и расчетов внесите в отчетную таблицу.

Отчетная таблица

Контрольные вопросы.

1. Каков физический смысл постоянной Больцмана.

2. Сформулируйте закон Дальтона.

Лабораторная работа № 8

Построение ВАХ электролита. Определение удельного сопротивления электролита. Исследование зависимости сопротивления электролита от температуры.

Цель: Построить вольт - амперную характеристику проводника второго рода. Установить зависимость сопротивления электролита от температуры. Вычислить удельное электрическое сопротивление раствора медного купороса при комнатной температуре.

Оборудование: проводник второго рода (раствор медного купороса), стеклянный стакан, медные электроды на колодке, амперметр, вольтметр, линейка с миллиметровыми делениями, источник питания с переменным напряжением, термометр, плитка.

Ход работы

1. Измерьте площадь поверхности электродов и расстояние между ними.

2. Опустите электроды в жидкость и соберите цепь по схеме.

2. Изменяя величину подаваемого от источника питания напряжения, снимите 8 - 10 показаний амперметра и вольтметра. Результаты запишите в таблицу.

3. На миллиметровой бумаге постройте вольт - амперную характеристику проводника второго рода. Определите по графику его сопротивление и вычислите удельное сопротивление. Экспериментальные точки откладываются на графике с учетом погрешностей. Для построения графика и определения сопротивления можно использовать электронные таблицы. Все формулы для вычислений должны быть выведены. Необходимо так же вычислить погрешности измерения сопротивления и удельного сопротивления. Сравните значение удельного сопротивления электролита с табличным значением удельного электрического сопротивления металлов. сделайте вывод.

4. Замкнув цепь, измерьте температуру жидкости t, силу тока в цепи и напряжение. Значение сопротивление R вычислите и занесите в таблицу. Поставьте стакан с электролитом на плитку. Измеряйте показания приборов и вычисляйте сопротивление электролита при изменении температуры на 5С, доведя температуру электролита до 70С (если есть возможность, то можно проводить измерения до более высокой температуры). Результаты занесите в таблицу. Постройте график зависимости R(t). Сделайте вывод о зависимости сопротивления электролита от температуры.

6. По полученным данным опишите, от чего и как зависит сопротивление и удельное сопротивление проводника второго рода.

Контрольные вопросы.

1. Что такое «поляризационная ЭДС»? Почему она возникает и чему равна по данным опыта.

2. Почему и как сопротивление электролита меняется при увеличении температуры?

3. Можно ли по данным опыта определить температурный коэффициент сопротивления электролита? (если да то как, предложите способ)

4. Запишите уравнения окислительно – восстановительных реакций на электродах.

Работа № 3

Проверка уравнения состояния идеального газа

Оборудование: стеклянные трубки-баллоны диаметром 40 мм, длиной 60 см – 2 шт.; стеклянная трубка постоянного сечения диаметром 10 мм, длиной 60 см, закрытая с одного конца; термометр лабораторный от 0 до 100 С; барометр-анероид; линейка измерительная с миллиметровыми делениями; чайник с горячей водой; сосуд с холодной водой; штатив для фронтальных работ.

Цель работы: изучить экспериментально связь между объемом, давлением и температурой воздуха.

Содержание и метод выполнения работы

При теоретическом выводе уравнения состояния допускается ряд упрощающих предположений, поэтому его применимость для описания состояния реальных газов нуждается в экспериментальной проверке. Уравнение состояния идеального газа (при m=const) имеет вид: pV/T=const.

Применимость этого уравнения для описания свойств воздуха можно проверить, измеряя температуру, давление и объем, занимаемый воздухом.

В опыте для нагревания и охлаждения постоянного количества воздуха можно использовать стеклянную трубку, запаянную с одного конца.

Сначала трубку опускают в сосуд с горячей водой запаянным концом вниз, а затем в сосуд с холодной водой открытым концом вниз. Если температура воды в первом сосуде T1, а во втором Т2, то два состояния воздуха в трубке описываются параметрами р1, V1, T1 и р2, V1, T2. В первом состоянии давление р1 воздуха равно атмосферному давлению, во втором состоянии давление воздуха р2 равно атмосферному давлению плюс давление водяного столба высотой h: p2=p1+gh (рис.). Объем воздуха в трубке в первом состоянии равен V1=ℓS, где ℓ — длина трубки, S — площадь поперечного сечения. Во втором состоянии объем воздуха равен V2=(ℓ-ℓ)S, где ℓ — длина столба воды в трубке (см. рис.). Целью работы является проверка выполнения равенства

 или

Порядок выполнения работы

1.В сосуд опустите стеклянную трубку длиной ℓ закрытым концом вниз. Когда трубка нагреется и температура воздуха в ней станет равной температуре Т1 воды в сосуде, измерьте температуру горячей воды. Заткните трубку резиновой пробкой на нитке и опустите пробкой вниз в сосуд с холодной водой. Под водой выдерните пробку за нитку и опустите трубку до дна сосуда (см. рис.).

2. Измерьте температуру Т2 холодной воды. Измерьте длину ℓ столбика воды в трубке.

3. Определите давление р1 воздуха в первом состоянии по показаниям барометра и вычислите давление р2 (g=9,81 м/с2).

4. Вычислите значения дробей:  и , определите их относительны и абсолютные погрешности.

5. Сделайте вывод о достоверности экспериментальной проверки  6. Предложите способ измерения объема Vз того же количества воздуха при комнатной температуре Т3 и атмосферном давлении р1. Осуществите этот способ и вычислите значение выражения .

Контрольные вопросы

1. Почему в опыте трубку погружали сначала в сосуд с горячей водой, а потом в сосуд с холодной водой?

2. Почему в расчетах не учитывали давление насыщенного водяного пара во втором опыте?

Работа 5

Оценка средней скорости теплового движения молекул газа

Оборудование: пластмассовый баллон из-под шампуня; весы с разновесом; пробка резиновая с отверстием; насос; измерительная лента; манометр.

Цель работы: Оценить среднюю скорость теплового движения молекул газа по реактивному действию газовой струи, принимая, что молекулы газа вылетают из сосуда с этой скоростью.

Содержание и метод выполнения работы

Одно из основных свойств вещества в газообразном состоянии — это способность газа неограниченно расширяться и занимать любой предоставленный ему объем. Используя способность газа к неограниченному расширению, можно оценить приблизительно скорость теплового движения его молекул.

Если в сосуде, заполненном газом, имеется отверстие, то молекулы газа будут вылетать из него с теми самыми скоростями, с какими они движутся внутри сосуда. Можно считать, что скорость истечения газовой струи из сосуда в вакууме примерно равна средней скорости теплового движения молекул.

Истечение газовой струи приводит к возникновению реактивной силы. Если сосуд не связан с другими телами, то в результате истечения газа он, как ракета, движется в противоположном направлении. По закону сохранения импульса можно записать:

,

где m масса газа, вышедшего из сосуда,  - скорость истечения газовой струи, mc – масса сосуда,  скорость движения сосуда.

Для оценки скорости  истечения газовой струи нужно измерить начальную скорость u движения сосуда - «ракеты», массу mc сосуда и массу m газа: =mcu/m.

В качестве сосуда можно взять пластмассовую бутылку из-под шампуня. Бутылку следует насадить на резиновую пробку с отверстием с таким усилием, чтобы она слетала с пробки при избыточном давлении около 105 Па.

Пробку с помощью шлангов соединяют с насосом и манометром, закрепляют пробку в лапке штатива и насаживают на нее пластмассовую бутылку (рис.). Накачивая воздух в бутылку, постепенно повышают давление в ней. Когда бутылка, как ракета, взлетает вертикально вверх, из нее выходит воздух до тех пор, пока давление оставшегося в ней воздуха не понизится до атмосферного. Массу mисходящего из «ракеты» воздуха можно найти из уравнения Клапейрона-Менделеева , где р - избыточное давление воздуха в сосуде, измеренное манометром, V объем бутылки, М — молярная масса газа, Т — его температура. Отсюда масса m вышедшего воздуха равна: .

Начальную скорость и «ракеты» можно найти по высоте ее подъема: .

Ход работы

1. Определите массу mс пластмассовой бутылки, взвесив ее на весах.

2. Насадите бутылку на пробку, соединенную с манометром и насосом. Закрепите пробку в штативе таким образом, чтобы «ракета» взлетела вертикально вверх.

3. Накачивая воздух в сосуд, постепенно повышайте давление в нем. Один из наблюдателей должен зафиксировать, при каком значении избыточно давления «ракета» взлетела, а второй — заметить максимальную высоту подъема ракеты.

4. Измерьте объем V бутылки и найдите массу m вышедшего воздуха.

5. По высоте h подъема «ракеты» вычислите начальную скорость «ракеты».

6. Вычислите скорость истечения струи воздуха из сосуда.

7. Оцените отклонение экспериментально измеренного значения скорости газовых молекул от средней квадратичной скорости теплового движения. Если это отклонение не превосходит 25—30%, то оценку средней скорости теплового движения молекул можно считать удовлетворительной.

8. Исследуйте, зависит ли скорость истечения струи воздуха из «ракеты» от начального значения избыточного давления.

Контрольные вопросы

1. Обоснуйте примененный в работе способ оценки скорости теплового движения молекул газа.

2. Почему с увеличением начального значения давления воздуха в ракете высота ее подъема возрастает?

Работа №9

Измерение температуры кристаллизации вещества. Наблюдение отвердевания аморфного вещества

Оборудование: две пробирки (14120 мм химическая): одна с парафином, который используется в качестве кристаллического тела; вторая с канифолью, который является аморфным телом; химический пробиркодержатель (прищепка), часы, термометр, стакан химический.

Содержание и метод выполнения работы

Характерные признаки плавления и кристаллизации

Температура плавления определенного вещества при постоянной давлении равна температуре кристаллизации tпл=tкр.

Последние положения говорят о том, что фазовые переходы кристаллического вещества из твердого состояния в жидкое и обратный процесс практически идентичны. Только первый процесс идет с поглощением тепла, а второй - с выделением. Вот почему при постановке лабораторных работ можно ограничиться одним из процессов. Технологически это легче сделать на примере процесса отвердевания. В этом случае пробирки с веществами ставят в банку с водой, установленную на электроплитке. Нагревают банку до тех пор, пока вещества в пробирках не расплавятся.

По мере охлаждения расплавленного кристаллического вещества его частицы замедляют свое хаотическое движение. При достижении температуры плавления скорость движения частиц уменьшается, и они под действием сил притяжения начинают пристраиваться одна к другой, образуя кристаллические зародыши. Пока все вещество не закристаллизуется, температура его остается постоянной. Это температура кристаллизации или температура плавления данного кристаллического тела.

После того как все вещество перейдет в твердое состояние, температура его снова начинает понижаться.

В отличие от кристаллических аморфные тела не имеют определенной температуры плавления и кристаллизации. По мере нагревания они постепенно размягчаются, что в широких масштабах можно наблюдать на примере асфальта в жаркий день. При охлаждении эта жидкость непрерывно увеличивает свою вязкость, пока не превратится в твердое тело. Это легко наблюдать при паянии с помощью канифоли.

В аморфных телах молекулы расположены так же беспорядочно, как и в жидкостях. Поэтому переход вещества из жидкого состояния в твердое и обратно не сопровождается изменением расположения молекул. Аморфные вещества в твердом состоянии так же как и кристаллические сохраняют форму и объем, но при этом имеют признаки жидкости с позиции молекулярного расположения их молекул.

Ход работы

1. Расплавьте парафин в пробирке, погрузив ее в сосуд с горячей водой.

2. Выньте пробирку из горячей воды. Погрузите в пробирку с парафином лабораторный термометр и уловите момент, показания термометра перестанут повышаться.

3. По окончанию минутных промежутков времени, фиксируемых с помощью наручных часов, записывайте показания термометра в таблицу. Охладите парафин примерно до 40С.

4. По данным таблицы постройте график.

5. По графику определите температуру кристаллизации парафина и сравните удельные теплоемкости в жидком и твердом состояниях. Оцените погрешность измерения температуры плавления.

6. Расплавьте канифоль в пробирке, погрузив ее в сосуд с горячей водой.

7. Выньте пробирку из горячей воды. Погрузите в пробирку с канифолью лабораторный термометр и уловите момент, показания термометра перестанут повышаться.

8. По окончанию минутных промежутков времени, фиксируемых с помощью наручных часов, записывайте показания термометра в таблицу. Охладите канифоль примерно до 40С.

9. По данным таблицы постройте график.

10. Сравните этот график с графиком отвердевания парафина. По графикам сравните теплоемкости парафина и канифоли.

Контрольные вопросы.

1. Какие вещества называются кристаллическими? Приведите примеры кристаллических веществ.
2. Что такое удельная теплота плавления?
3. Что такое температура плавления? От чего и как она зависит?
4. Что такое полиморфизм?
5. Что такое анизотропия? У каких веществ она наблюдается?
6. Как можно получить кристалл?
7. Какие вещества называются аморфными? Приведите примеры аморфных веществ.
8. Отличаются ли по внешнему виду кристаллические и аморфные вещества?
9. Предложите способы определения строения твердого: аморфное или кристаллическое?

Лабораторная работа № 6

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО КОЭФФИЦИЕНТА СОПРОТИВЛЕНИЯ МЕДИ

Оборудование: 1) прибор для измерения термического коэффициента сопротивления проволоки; 2) стакан высокий, 3) ампервольтомметр; 4) термометр лабораторный от 0 до 100 °С; 5) штатив для фронтальных работ; 6) стаканы с горячей (50—60 °С) и холодной водой; 7) комплект проводов соединительных.

Содержание и метод выполнения работы

Температурный коэффициент сопротивления проводника а определяется отношением , где R0 - сопротивление проводника при температуре 0°С; Rt - сопротивление проводника при температуре t °C, t - температура проводника.

Применяемый в работе прибор (рис.) для определения температурного коэффициента сопротивления меди состоит из катушки 1. Катушка представляет собой картонный каркас 2, на который намотан медный изолированный провод. Концы провода выведены к зажимам 3, установленным на пластмассовой колодке 4. В этой же колодке закреплена стеклянная пробирка, в которую вставлен каркас катушки. Сверху в колодке имеется отверстие 5 для термометра, измеряющего температуру обмотки катушки. Помещая пробирку с катушкой в холодную и горячую воду и измеряя ее сопротивление, можно вычислить температурный коэффициент сопротивления меди.

Порядок выполнения работы

1. Соберите установку по рисунку сначала без термометра. Закрепите прибор в лапке штатива и, отпустив зажим муфты, погрузите пробирку с катушкой в стакан так, чтобы катушка находилась в воде. В этом положении прибор закрепите.

2. Проверьте и подготовьте ампервольтомметр для измерения сопротивлений (шкала с множителем 1).

3. Поместите термометр в отверстие колодки и следите за его показаниями. Измерьте сопротивление катушки при комнатной температуре с помощью ампервольтомметра.

4. Поставьте под стакан плитку и начните нагревание. Наблюдайте за изменением температуры; когда она изменится на 5 С измерьте сопротивление катушки Rt. Опыт повторяйте при других температурах с интервалом в 5С пока катушка не нагреется до 80С.

5. Результаты измерения температуры и сопротивления представьте в виде таблицы. По данным таблицы постройте график зависимости R(t). Экспериментальные точки откладываются на графике с учетом погрешностей. Угловой коэффициент прямой  и свободное слагаемое можно найти, используя уравнение линии тренда. Вычислите сопротивление мотка проволоки при температуре 0С и температурный коэффициент сопротивления. Все расчетные формулы должны быть записаны. Сравните полученное значение температурного коэффициента с табличным в пределах погрешностей.

Контрольные вопросы

1. Что такое температурный коэффициент сопротивления? В каких единицах он измеряется?

2. Как зависит сопротивление проводника от температуры?

3. Как эту зависимость можно представить графически?

4. Как выглядит график зависимости сопротивления проводников от температуры?

5. что такое сверх проводимость и у каких веществ она наблюдается?

Исследование тепловых свойств вещества

Оборудование: крошки парафина, две пробирки, держатель для пробирок, термометры, подставка для пробирок, весы и гири, плитка, сосуд с горячей водой; микроскоп школьный, деревянная палочка, предметные стекла.

Ход работы

В Вашем распоряжении имеются две одинаковые пробирки. В одной из них находится застывший парафин, а другая пустая. Определите с помощью весов массы пустой пробирки и пробирки с парафином. Разность этих масс и составит массу парафина.

Поставьте пробирку с парафином в сосуд с горячей водой до полного растворения парафина и нагрева его до температуры воды Т1 (порядка 70оС). Выньте пробирку держателем из воды и оберните ее бумагой (для уменьшения теплообмена с окружающей средой). Установите теплоизолированную пробирку в штатив для пробирок. Измеряйте температуру парафина каждые 30 с (термометр желательно располагать в центре пробирки). Составьте таблицу значений зависимости температуры от времени (не менее 20 минут). По данным таблицы постройте график зависимости температуры парафина от времени.

По виду графика выясните кристаллическое вещество парафин или аморфное. Объясните поведение парафина при разных температурах.

Для расчета тепловых свойств парафина нужно знать мощность теплопередачи в окружающую среду. Она различна в разных температурных интервалах. Поэтому Вам придется провести еще один опыт, взяв другую такую же пробирку и налив в нее горячую воду при температуре Т1 и сняв температурную зависимость остывающей воды от времени. При одинаковых условиях проведения опыта можно считать, что значения теплопередачи в различных температурных интервалах равны: , где с1 и с2 удельные теплоемкости парафина в жидком состоянии и воды, m1 и m2 массы парафина и воды соответственно. Отсюда следует, что . Удельную теплоемкость воды считать известной.

Аналогично определить удельную теплоемкость парафина в твердом состоянии.

Удельную теплоту кристаллизации можно получить, считая, что процесс кристаллизации идет при средней мощности тепловых потерь. Формулу для вычислений получите самостоятельно.

В качестве отчета о выполнении работы предложите значения температуры кристаллизации парафина, значение удельной теплоемкости парафина в жидком и твердом состояниях, удельную теплоту плавления.

Проверьте результаты опыта, построив график зависимости температуры от времени при нагревании и плавлении парафина.

Пронаблюдайте рост кристаллов парафина с помощью микроскопа. Какую кристаллическую решетку имеет парафин?

Работа № 6

Изучение транзистора

Цель работы. Ознакомиться с устройством и принципом действия транзистора. Определите коэффициент усиления транзистора по току при включении его по схеме с общим эмиттером.

Оборудование. Транзистор, миллиамперметр (50 мА), микроамперметр (500 мкА), источник электропитания ИЭПП-2, переменный резистор (500 кОм), постоянный резистор (10 кОм), соединительные провода, ключ.

Содержание и метод выполнения работы.

Основной частью германиевого транзистора р-n-р- типа является пластина из монокристалла германия с электронной проводимостью (полупроводник n-типа). В кристалле 1 созданы две области с дырочной проводимостью. Эти области отделены от кристалла с электронной проводимостью р-n-переходами. Кристалл соединен с корпусом транзистора и называется базой транзистора. База имеет электрический вывод 5. Две области с дырочной проводимостью называются соответственно эмиттером 2 и коллектором 3. Они снабжены выводами 6 и 4. Условные обозначения транзистора р – n - p и n-р-n -типов представлены на рисунке.

При использовании транзистора в усилительной схеме два его электрода служат для введения входного сигнала и два — для выведения выходного сигнала. При этом один из выводов оказывается общим для входной и выходной цепей. Возможны три способа включения транзистора в электрическую цепь: с общей базой, с общим эмиттером, с общим коллектором. Все они находят применение в практических схемах.

Рассмотрим способ включения транзистора с общим эмиттером. Постоянное напряжение 10—15 В подается на выводы эмиттера и коллектора. Для транзистора р-n-р- типа положительный полюс источника должен быть подключен к эмиттеру, отрицательный — к коллектору. При этом коллекторный р-n- переход оказывается закрытым, его сопротивление очень велико и ток в цепи эмиттер — коллектор очень мал.

Подача небольшого отрицательного напряжения на эмиттерный р-n- переход (плюс на эмиттер, минус на базу) приводит к переходу дырок из эмиттера в базу. Небольшая часть дырок рекомбинирует при встрече с электронами в базе и обусловливает этим появление тока IБ в цепи базы. Основная часть дырок достигает коллекторного перехода и создает ток IK в цепи коллектора. Таким образом, транзистор можно рассматривать как устройство, распределяющее ток, протекающий через один из его электродов (эмиттер), в заданном соотношении между двумя другими электродами — базой и коллектором. Схема распределения токов в транзисторе в активном состоянии представлена на рисунке.

Отношение изменения тока коллектора ∆IК к изменению тока базы ∆IБ называют интегральным коэффициентом передачи базового тока :

Значения коэффициента  для транзисторов обычно лежат в пределах от 20 до 500.

Коэффициент  определяет усиление транзистора по току при включении его по схеме с общим эмиттером и является одним из важнейших параметров транзисторов.

В усилительном каскаде с общим эмиттером входным током является ток базы IБ, а выходным — ток коллектора IК. Коэффициент усиления по току в этом случае определяется так:

Принципиальная электрическая схема лабораторной установки для измерения параметра  представлена на рисунке. Сила тока в цепи базы IБ регулируется переменным резистором R1 на 500 кОм. Резистор R2, имеющий сопротивление 30 кОм, предназначен для ограничения тока базы при полном выведении резистора R1.

Сила тока в цепях базы и коллектора измеряется соответственно микроамперметром и миллиамперметром, включенными в цепи базы и коллектора.

Ход работы

1. Пользуясь справочником, определите расположение выводов базы, эмиттера и коллектора транзистора.

2. Выводы транзистора включите в электрическую цепь, собранную по схеме на рисунке. Замкнув ключ, подайте постоянное напряжение 4 В от источника питания.

3. С помощью переменного резистора R1 установите силу тока базы IБ, равную 100 мкА.

4. Измерьте силу тока в цепи коллектора IК и определите коэффициент усиления транзистора по току в  схеме включения с общим эмиттером.

5. Результаты измерений и вычислений занесите в отчетную таблицу.

6. Повторите измерения и вычисления для силы тока в цепи базы 200 мкА и 300 мкА.

Контрольные вопросы

1. Каков принцип действия транзистора как усилителя электрических сигналов?

2. Что называется коэффициентом усиления по току для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером?

3. Как получить с помощью транзистора усиление по напряжению?

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Магнитоэлектрические приборы. В электроизмерительных приборах магнитоэлектрической системы используется действие магнитного поля на проводник с током. Измеряемый электрический ток пропускается через рамку 6, помещенную в магнитное поле постоянного магнита 5. Рамка укреплена на оси 2, для уменьшения силы трения стальная ось 2 опирается на подпятники 1, изготовленные из синтетического агата, рубина или корунда. Измеряемый ток подводится к рамке 6 через спиральную пружину 3. На участки проводников, расположенные перпендикулярно линиям индукции магнитного поля, действует сила Ампера. Если бы подвижная часть измерительного механизма не имела пружину 3, противодействующую ее повороту, то при пропускании тока через рамку происходил бы поворот ее на 180° независимо от силы тока. Но силы упругости, возникающие при закручивании пружины, препятствуют повороту рамки. Сила упругости прямо пропорциональна углу закручивания пружины, поэтому угол поворота, при котором наступает равенство моментов сил Ампера и сил упругости, пропорционален силе тока в рамке. Шкала магнитоэлектрического прибора равномерная.

При изменениях силы тока равновесие моментов сил упругости и сил Ампера нарушается, в результате подвижная система начинает совершать колебания относительно нового положения равновесия. Вместе с ней колеблется и стрелка прибора. Для устранения этих колебаний в приборах применяются специальные успокоители. В них для торможения подвижной системы используется тонкая алюминиевая пластина 7, помещенная между полюсами постоянного магнита 8 и закрепленная на оси вращения подвижной системы. При повороте подвижной системы алюминиевая пластина успокоителя движется в поле постоянного магнита. Наводимые в ней при этом индукционные токи тормозят движение пластины и вместе с тем вращение всей подвижной системы электроизмерительного прибора. Для того чтобы при любом положении указательной стрелки 4 подвижная часть была уравновешена в поле тяжести, имеются  противовесы 9. Установка на нулевое деление шкалы производится с помощью корректора 10. Поворот стрелки в приборах магнитоэлектрической системы пропорционален силе тока, протекающего через измерительную систему прибора. Однако шкала прибора может быть отградуирована и в единицах напряжения, так как сила тока прямо пропорциональна напряжению, приложенному к выводам измерительной системы.

Приборы магнитоэлектрической системы применяются для измерения силы тока и напряжения в цепях постоянного тока. В электроизмерительных приборах других систем подвижная часть обычно устроена примерно так же, как и в приборах магнитоэлектрической системы.

Электродинамические приборы. В приборах электродинамической системы нет постоянного магнита. Поворот подвижной системы происходит в результате электродинамического взаимодействия электрических токов в двух катушках. Одна катушка закреплена неподвижно, а другая укреплена на оси подвижной системы. В электродинамическом амперметре и вольтметре катушки включаются последовательно, и по ним протекает одинаковый ток. В данном случае вращающий момент пропорционален квадрату силы тока в рамках. Поэтому у электродинамических амперметров и вольтметров шкала неравномерная.

Электродинамические приборы могут служить ваттметрами — приборами для измерения мощности. С этой целью неподвижную (токовую) катушку включают в цепь последовательно, а подвижную (катушку напряжения) через дополнительный резистор включают параллельно потребителю энергии. Вращающий момент, действующий на подвижную рамку, пропорционален произведению сил токов в обеих обмотках. Но сила тока в одной обмотке равна силе тока в рабочей цепи, а сила тока в другой пропорциональна напряжению на рабочем участке цепи. Очевидно, что их произведение пропорционально мощности.

У ваттметра четыре клеммы — две токовые и две для напряжения. Шкала у прибора равномерная. Электродинамические приборы пригодны для измерений в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Электромагнитные приборы. В приборах электромагнитной системы измеряемый ток пропускается по неподвижной катушке, а поворот подвижной системы вызывается втягиванием в эту катушку стального сердечника, связанного с подвижной системой.

Электростатические приборы. В приборах электростатической системы вращение подвижной системы вызывается силами электростатического взаимодействия разноименно заряженных проводников. Достоинство этих приборов заключается в том, что они не потребляют тока, т. е. не являются дополнительной нагрузкой, как приборы другой системы.

Но они  позволяют измерять только напряжение, но не силу тока.

Погрешность прибора. Одной из важнейших характеристик электроизмерительных приборов является класс точности. Отношение максимально возможного значения абсолютной погрешности А к максимальному значению измеряемой величины Аmax, выраженное в процентах, называется приведенной погрешностью прибора.

При отклонении стрелки на всю шкалу граница относительной погрешности прибора равна приведенной погрешности. При измерении меньших значений измеряемой величины относительная погрешность измерения превышает приведенную погрешность прибора.

По приведенной погрешности электроизмерительные приборы делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5;  1,0;  1,5' 25' 4,0.

Определение минимального заряда иона и электрохимического эквивалента меди.

Оборудование: весы с разновесами, электроды медные с держателем, амперметр на 2 А, плитка электрическая или вентилятор для сушки электродов, источник постоянного тока на 6 В, стакан, раствор медного купороса, часы с секундной стрелкой, соединительные провода, выключатель.

Содержание и метод выполнения работы.

Количество электричества, перенесенное ионами при их движении через электролит в течении промежутка времени t при силе тока I, равно Q=It (1). С другой стороны это количество электричества можно выразить через число ионов N, нейтрализовавшихся на одном электроде, и величину заряда одного иона q ( или заряд одного иона qi на валентность n):  Q=Nqi=Nen (2). Из выражений (1) и (2) следует: It=Nne. Если масса каждого иона mi, то масса выделившегося на электроде вещества m равна m= Nmi=NM/NA (4), где М - молярная масса вещества, NA - число Авагадро. Делением выражения (3) на выражение (4) исключаем трудно определяемое опытным путем число атомов выделившегося при электролизе вещества N: It/M=neNA/M и получаем . Мы получили, что для определения на опыте элементарного электрического заряда е достаточно измерить силу тока, протекающего через электролит I, время его прохождения t и массу выделившегося вещества m. Массу вещества выделившегося на катоде в результате электролиза можно найти как разность масс электрода до и после опыта, т.е. m=m2-m1. Для выполнения лабораторной работы собирается цепь, схема которой приведена на рисунке.  В качестве электролита используется раствор медного купороса (CuSO4), в котором носителями зарядов являются двух валентные ионы меди Cu2 +и SO42-.

Порядок выполнения работы.

1. Определите взвешиванием массу m1 медной пластины, которая будет служить катодом.

2. Поместите электроды в раствор медного купороса и соберите цепь по указанной схеме.

3. Заметив время, замкните цепь ключом К, быстро установите реостатом силу тока I, равной 1 - 1,5 А, и поддерживайте ее постоянной в течении 10- 15 минут. Затем разомкните цепь и выньте катодную пластинку из держателя.

4. Промойте пластинку и поместите в струю воздуха от вентилятора (или подержите над плиткой) до полного высыхания. Затем определите массу пластинки m2 и массу меди, выделившейся на ней при электролизе m=m2-m1.

5. Используя результаты измерений по формуле , вычислите величину элементарного электрического заряда. При расчетах принять  молярную массу меди 63,5 г/моль, валентность n=2, число Авагадро NA=61023 моль-1. Вычислите электрохимический эквивалент меди (формулу для вычислений выведите самостоятельно.

6. Результаты измерений и вычислений занести в отчетную таблицу.

Отчетная таблица.

Вычислите относительную ошибку, допущенную при выполнении вычислений, абсолютную ошибку вычисления элементарного заряда и электрохимического эквивалента меди.

Контрольные вопросы.

1. Чем объяснить, что раствор, в котором имеются ионы, электрически нейтрален?
2. Имеются ли в электролитах свободные электроны?
3. Как и почему зависит масса выделившейся на электродах меди от концентрации раствора?
4. Как со временем изменяется концентрация раствора?
5. До каких пор может протекать электролиз в условиях вашего опыта? Оцените время.
6. Почему при выполнении работы сила тока в цепи меняется? Как это отражается на результатах?
7. Что выделяется на аноде и в каком количестве? Записать уравнение электролитической диссоциации медного купороса. Записать уравнения окислительно-восстановительных реакций на электродах.
8. Изменится ли количество выделившейся меди, если увеличить площадь электродов, оставив силу тока и время его прохождения прежними?
9. Изменится ли количество выделившейся меди, если в цепь последовательно включить точно такую же пару электродов, оставив силу тока и время его прохождения прежними?
10. Сколько меди выделится на катоде в течение 10 с при электролизе раствора медного купороса, если в течение первых 5 с сила тока равномерно возрастает от нуля до 3 А, а а в течение последующих 5 с равномерно уменьшается до 1 А?