лабораторные работы по физике

Л/р № 13. Исследование зависимости КПД источника тока от нагрузки.

Цель работы: Найти, как КПД источника тока зависит от сопротивления нагрузки R.

Оборудование: Источник тока, реостат, амперметр, вольтметр, ключ, соединительные провода.

Вводная часть: Как известно КПД источника тока можно подсчитать так: КПД = P_полезн/P_затр. Мощность P = IU. Полезная мощность - это мощность, выделяющаяся при нагревании током реостата сопротивлением R: P_полезн = IU. Затраченная мощность - это

мощность, выделяющаяся во всех элементах цепи, включая внутреннее сопротивление источника тока r: P_затр= Iε. Тогда КПД = U/ε.

Меняя сопротивление цепи R (сопротивление реостата), измеряя при этом напряжение U и силу тока I в цепи, можно будет узнать, как КПД меняется при изменении сопротивления R (нагрузки на источник тока).

ЭДС ε источника тока найдем, используя пару, найденных нами в ходе работы, значений тока и напряжения. Лучше брать неблизкие значения, например:

U₁ + I₁r_I = εI

;

U₅ + I₅r_I = εI

Взяв еще одну пару уравнений,

можно будет найти еще одно значение ε и r:

U2 + I2rII = εII

;

U6 + I6rII = εII

а по ним вычислить средние значения εср и ∆εср, что даст большую точность:

εср = (εI+ εII)/2; ∆εср = (|εср - εI|+ |εср - εII|)/2.

Сопротивление цепи найдем по закону Ома для участка цепи: R = U/I.

Откладывая по горизонтальной оси значения R, а по вертикальной оси значения КПД, получим нужный нам график зависимости КПД(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 особенно на последних этапах измерений! Это даст вам наилучший результат.

6.  Зная силу тока I и напряжение U в каждом случае, подсчитайте значение сопротивления реостата R, значение ЭДС ε вашего источника тока, рассчитайте значение КПД, занесите эти данные в таблицу.

7.  По полученным данным постройте график зависимости КПД(R). По горизонтальной оси отложите сопротивление цепи R, а по вертикальной КПД. 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: КПД = U/ε; тогда ε_КПД = ∆U/U_ср + ∆εср/εср, где U_ср среднее напряжение в вашей цепи за время всех опытов. Теперь ∆КПД = ε_КПД ·КПД_ср, где КПД_ср- среднее значение КПД во всех ваших опытах.

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

Контрольные вопросы:

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

КПД(R) =R/(R + r). Привлеките свои познания из математики.

2.  Каков физический смысл асимптоты вашего графика?

3.  Начертите график зависимости КПД источника тока от силы тока I, используя ваши данные. В какую точку упирается график КПД(I) по оси I?

4.  Каков КПД вашего источника тока при коротком замыкании?

5.  Как добиться максимального КПД_max = 100%?