Методика решения задач по кинематике Электротехника Кинематика Электромагнитные волны Оптика Ньютона Волновая оптика Поляризация света Дифракция Экзаменационные вопросы

Методика решения задач по физике. Примеры решения задач к контрольной работе

Лабораторная работа

Практическая часть

При выполнении задачи используются различные электроизмерительные приборы, описания и инструкции по эксплуатации которых выдаются перед работой. Перед началом измерений все приборы нужно подготовить к работе согласно их инструкциям. В случае использования для измерений ламповых, транзисторных или цифровых вольтметров, то до начала измерений, после прогрева приборов в течение около десяти минут, необходимо выполнить проверку правильности установки нулевых значений.

Упражнение I. Измерение напряжения в цепи постоянного тока.

При выполнении этого упражнения необходимо выполнить ряд изме­рений напряжения в цепи постоянного тока. Цепь состоит из постоянных резисторов, размешенных на учебной плате. Принципиальная схема блока представлена на рис.4. Установленные на плате кнопки в нормальном положении замкнуты. При нажатии они размыкают соответствующий участок цепи, что дает возможность измерить в нем силу тока, подключив а разрыв амперметр.

Клеммы А и В подключаются соединительными проводами к источнику постоянного тока, напряжение которого можно установить в пределах 1¸25 В. Все измерения необходимо выполнить для одного напряжения источника, заданного преподавателем, которое нужно записать.

При подсоединении к кле­ммам А и В источник должен быть выключен, а ручки регулировки установлены в крайнее положение, соответствующее минимуму выходного напряжения. После этого источник включают, а по вольтметру, подключенному ко входу платы, устанавливают заданное напряжение.

Измерения проводятся для резисторов, номера которых задаются преподавателем (обычно 5 резисторов).

Вольтметр поочередно подключается параллельно каждому резистору, используя установленные на них клеммы. Каждое измерение выполняют один раз и определяют погрешность измерения, учитывая класс точности прибора и погрешность считывания.

В случае использования электронно-цифрового вольтметра, измере­ния следует проводить однократно в автоматическом режиме работы, погрешность результата определяется согласно описанию прибора.

Все результаты измерений следует оформить в виде таблицы, в которой указывают номера резисторов, на ко­торых производились измерения, полученные значения напряжений и значения погрешности каждого измерения.

Упражнение 2. Измерение силы тока в различных участках цепи

НЕ МЕНЯЯ напряжение на источнике питания, измерьте силу тока в тех же резисторах, что и при выполнении пер­вого упражнения. В качестве измерительного прибора применяется комбинированный прибор, включаемый в режиме измерения силы постоянного то­ка.

Для измерения силы тока в последовательном участке цепи нужно подключить амперметр параллельно кнопке, размыкающую данную цепь, и нажать на кнопку. При этом амперметр покажет ток в данном участке. Разумеется, амперметр не обязательно подключать рядом с измеряемым резистором, он может быть в любом месте последовательной цепи, в которую входит данный резистор.

Во избежание выхода из строя стрелочного прибора необходи­мо внимательно следить за соблюдением полярности его подключения и за выбором пределов измерений. Начинать измерения нужно, как правило, с самого грубого диапазона. Результаты всех измерений заносят в указанную выше таблицу.

В некоторых платах для разрыва цепи при измерении силы тока используются перемычки, которые зажимаются винтами клемм. Работа с ними аналогична работе с кнопками. Нужно только не забывать восстанавливать соединение перемычек после проведения измерения.

По результатам измерений, полученным в первом и втором упражнении, рассчитывают сопротивления заданных резисторов с оценкой ошибок измерения.

Упражнение 3. Одновременное измерение напряжения и силы тока

В этом упражнении измерения проводятся на тех же резисторах, НЕ МЕНЯЯ напряжение на источнике питания. Вольтметр и амперметр к измеряемому резистору нужно подключать одновременно согласно варианту, показанному на рис.3а. По измеренным значениям U и I рассчитываются сопротивления данных резисторов с оценкой ошибок. Результаты нужно занести в таблицу.

Поскольку используемый в задаче амперметр имеет сопротивление, сравнимое с сопротивлением некоторых резисторов, его подключение может заметно изменить распределение токов и напряжений на элементах платы, и результаты измерений и расчета сопротивлений будут отличаться от полученных выше в упражнениях 1-2.

Упражнение 4. Измерение вольт-амперной характеристики
нелинейного элемента

Вольт-амперной характеристикой (ВАХ) элемента называется зависимость тока через него от приложенного напряжения. ВАХ является основной характеристикой нелинейного элемента, необходимой для описания его работы в электрических цепях. Измерения ВАХ можно проводить как на постоянном токе, так и на переменном токе, т.е. в динамическом режиме.

В данном упражнении измеряется на постоянном токе ВАХ полупроводникового p/n перехода. Измерения проводятся на полупроводниковом элементе – стабилитроне, который представляет собой прибор с одним p/n переходом. В отличие от обычного выпрямительного диода, стабилитрон может, не разрушаясь, работать в режиме электрического пробоя, если только ток через него не превышает допустимых значений. Поэтому на стабилитроне можно наблюдать все характерные участки ВАХ p/n перехода, включая и область пробоя, возникающего в на

шем случае при запирающих напряжениях порядка 4-15 В. Краткие сведения о стабилитроне можно получить из [3].

Поскольку ВАХ должна быть измерена при обеих полярностях приложенного к p/n переходу напряжения, измерения можно провести с использованием схемы со встречным включении двух регулируемых источников питания. Меняя напряжения U1 и U2, можно без переключения полярности проводов получить любое напряжение от –Umax до +Umax, где Umax - максимальное напряжение источника. В используемом блоке питания оба источника тока гальванически независимы, поэтому такие соединения допустимы.

Важным преимуществом такой схемы является возможность получения близких к нулю напряжений даже тогда, когда каждый из источников не может дать таких малых напряжений. Это имеет место в нашем блоке питания, у которого Umin @ (0.5 … 0.8) В. Напряжения, меньшие Umin (вплоть до нуля), можно получить, если установить на одном из источников небольшое произвольное напряжение (порядка 1,5 - 2 В) и скомпенсировать его вторым источником до любого нужного малого напряжения.

Дополнительный резистор R, включенный последовательно со стабилитроном, необходим для ограничения максимального тока и подобран таким, чтобы было можно подавать на схему любое напряжение от –25 до +25 В. При непосредственном подключении стабилитрона к источнику тока он может сгореть. Наличие такого ограничительного сопротивления, как правило, обязательно при включении в цепь любых нелинейных элементов, способных к резким скачкам тока.

Процедура измерений состоит в регистрации тока I(U) в зависимости от приложенного к элементу напряжения U. Напряжение с блока питания нужно менять в пределах (–25 … +25) В. Число измеряемых точек выбирается из условия четкого представления хода ВАХ во всех ее участках (не менее 5-6 для каждой полярности).

При построении графика нужно выбрать наиболее удобный масштаб, разрывы на осях и т.д. Положительное направление шкал U и I должно соответствовать прямому току p/n перехода, направление которого указано стрелкой  на самом стабилитроне и на плате.

На графике нужно изобразить интервалы ошибок экспериментальных точек.

Оформление упражнения включает номер платы, схему, таблицу данных, расчетные формулы, график.

Примерные вопросы к допуску и сдаче задачи

- Системы стрелочных измерительных приборов [1]

- Условные обозначения на стрелочных измерительных приборах разных систем [2]

- Влияние собственных сопротивлений амперметра и вольтметра на точность измерений силы тока и напряжений.

- Почему в упражнении 3 вольтметр и амперметр рекомендуется подключить к измеряемому резистору по варианту Рис.3а?

- Для какой части вольт-амперной характеристики стабилитрона вольтметр и амперметр лучше подключать по варианту Рис.3а и Рис.3б?

- Как оценить погрешности измерений стрелочными приборами?


На главную