лабораторные работы по физике

Л/р № 10. Исследование зависимости мощности источника тока от нагрузки.

Цель работы: Найти, как мощность P, выделяемая в нагрузке, зависит от сопротивления R. Оборудование: Источник тока, реостат, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода.

Вводная часть: Как известно мощность в нагрузке можно подсчитать тремя способами: P = IU; P = I²R; P = U²/R. Для практической работы удобнее первая формула: в ней содержатся величины, которые легко измерить на опыте амперметром (I) и вольтметром (U), ибо сопротивление R непосредственно измерить трудновато.

Итак, меняя сопротивление цепи R, будем получать разные токи I и напряжения U, их произведение и будет мощностью P, которая как-то будет меняться при изменении сопротивления R (нагрузки на источник тока). Само сопротивление цепи R найдем по закону Ома для участка цепи: R = U/I. Откладывая по горизонтальной оси значения R, а по вертикальной оси значение P, получим нужный нам график зависимости P(R), т.е. достигнем цели нашей работы.

Ход работы:

1.  Соберите электрическую цепь по схеме. Ключ перед началом работы должен быть разомкнут, а реостат выведен на максимальное сопротивление.

2.  Начертите в отчетном листе таблицу для записи результатов:

3.  Приготовьтесь быстро снять показания амперметра и вольтметра. Еще раз проверьте положение реостата (он должен быть установлен на максимальное сопротивление). Включите на короткое время цепь и быстро снимите показания приборов. Выключите цепь. Запишите значения тока I и напряжения U в первый столбец таблицы.

4.  Передвиньте движок реостата в сторону уменьшения сопротивления примерно на 1/8 его рабочей длины. Замкните ключ, быстро снимите новые показания приборов, выключите цепь, запишите эти показания в соседний столбец таблицы.

5.  Повторяйте пункт 4, каждый раз уменьшая сопротивление реостата на 1/8, пока не останется последняя 1/8 его длины. Старайтесь не включать цепь надолго, снимайте показания приборов как можно быстрее. Экономьте ресурс батареи! Это даст вам наилучший результат.

6.  Зная силу тока I и напряжение U в каждом случае, подсчитайте значение мощности P и сопротивления реостата R, занесите эти данные в таблицу.

7.  По полученным данным постройте график зависимости P(R). По горизонтальной оси отложите сопротивление цепи R, а по вертикальной мощность тока P. Соедините точки графика плавной линией.

Примечание! Много лучше, если при построении графика вы учтете погрешности измерений и вместо точек на графике нанесете прямоугольники отклонений вокруг точек по оси R и по

оси КПД (см. инструкцию по вычислению погрешностей) и с учетом ваших погрешностей сможете построить более точный вид графика. Эти отклонения могут быть рассчитаны следующим образом.

По горизонтальной оси R: так как R = U/I, то ε_R = ∆U/U + ∆I/I, где ∆U равно половине цены

деления вольтметра, а ∆I - половине цены деления амперметра. Рассчитав ε_R для каждого R, находят среднее ε_{R ср}. Тогда отклонение от каждой точки графика по горизонтали будет

∆R =ε_{R ср}·R_ср, где R_ср надо найти как среднее сопротивление во всех ваших опытах.

По вертикальной оси: P = IU; тогда ε_P = ∆U/U_ср + ∆I/I_ср, где U_ср - среднее значение напряжения во всех ваших опытах, а I_ср - среднее значение тока. Теперь ∆P = ε_P ·P_ср, где P_ср- среднее значение P во всех ваших опытах.

8.  Рассмотрите особенности полученной кривой. Сделайте подробный вывод, о характере полученной зависимости P(R), используя знания об анализе функций из математики. Ответьте на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1.  Зная, что P = I²R и I = ε/(R + r), выведите формулу зависимости P(R).

2.  Покажите, что полученный вами график полностью соответствует графику функции

P(R) =aR/(R+b)², где a = const, b = const. Привлеките свои познания из математики.

3.  Каков физический смысл констант a и b в предыдущем вопросе?

4.  По уравнению найдите U₁ + I₁r = U₅ + I₅r внутреннее сопротивление r вашего источника тока.

4. Как добиться наибольшего значения мощности источника тока P_max?