Лабораторная работа по физикеОпределение удельного сопротивление проводника

Методическая разработка лабораторной работы по теме «Определение удельного сопротивления проводника»

Автор: Мокрова Ирина Иннокентьевна

ГБПОУ Московский технологический колледж

Предисловие

Методические указания по проведению лабораторных работ по физике предназначены для студентов 1 курса технических специальностей среднего профессионального образования.

Цель методических указаний - оказание помощи студентам при подготовке и выполнении лабораторных работ по физике.

В пособии представлены подробные описания лабораторных работ, включающих в себя

а) теоретический материал по изучаемой теме;

б) перечень лабораторного оборудования;

в) описание лабораторной установки;

г) основное задание по измерению той или иной физической величины;

д) расчетные формулы;

е) таблица результатов измерений и вычислений;

ж) способы обработки результатов измерений. Определение абсолютной и относительной погрешностей.

В каждой лабораторной работе есть дополнительные задания частично-поискового и поискового характера, необходимые для развития самостоятельности мышления, формирования умений решать нестандартные, изобретательские задачи.

Для выполнения дополнительного задания №1 частично - поискового характера обучающимся предложена тема и цель лабораторной работы, необходимое для выполнения лабораторное оборудование, Обучающиеся самостоятельно предлагают способы выполнения работы, пользуются различными источниками, специальной литературой, справочными пособиями.

Для выполнения дополнительного задания №2 поискового характера обучающиеся должны решить новую для них проблему, опираясь на имеющиеся у них теоретические знания.

.

Основные требования по выполнению лабораторных работ

Правила выполнения лабораторных работ

1. Лабораторные работы по физике выполняются по группам, в которую входят 2-3 студента. Группы назначаются преподавателем на весь учебный год и могут изменяться в исключительных случаях ( выбытие студента из учебного заведения, длительное отсутствие по уважительным причинам и др)

2. Необходимо строгое выполнение всего объема домашней подготовки, указанных в описаниях соответствующих лабораторных работ

3. Выполнение каждой лабораторной работы предшествует проверка готовности студента, которая производится преподавателем в форме собеседования или письменного опроса по вопросам, приведенных в описании работы.

4. После выполнения лабораторной работы студент должен представить отчет о проделанной работе с обсуждением полученных результатов и выводов.

5. При выполнении лабораторных работ необходимо соблюдать правила техники безопасности работы с физическим оборудованием.

Правила техники безопасности

1.Будьте внимательны и дисциплинированны, точно выполняйте указания учителя.

2. Не приступайте к выполнению работы без разрешения преподавателя .

3. Размещайте приборы, материалы, оборудование на своем рабочем месте таким образом, чтобы исключить их падение или опрокидывание.

4. При работе с приборами из стекла соблюдайте особую осторожность. При выполнении лабораторных работ нельзя использовать разбитые стеклянные трубки, трубки с трещинами Для предотвращения падения стеклянные сосуды (пробирки, колбы) при проведении опытов осторожно закрепляйте в лапке штатива. Осколки стекла нельзя собирать со стола руками. Для этого нужно использовать щетку и совок.

5. При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов.

6. При сборке экспериментальных установок используйте провода (с наконечниками и предохранительными чехлами) с прочной изоляцией без видимых повреждений.

7. Источник тока и электрической цепи подключайте в последнюю очередь.

8. Собранную цепь включайте только после проверки и с разрешения преподавателя. Проверяйте наличие напряжения на источниках питания или других частях электроустановки с помощью прибора для измерения напряжения.

9. Не прикасайтесь к находящимся под напряжением элементам цепей, лишенным изоляции. Не производите присоединения в цепях до отключении источника электропитания.

10. Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводов были наконечники. При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.

11. Выполняйте измерения и наблюдения, соблюдая осторожность, чтобы случайно не прикоснуться к оголенным проводам (токоведущим частям, находящимся под напряжением).

12. Не прикасайтесь к конденсаторам, даже после отключения электрической цепи от источника питания, их сначала нужно разрядить. По окончании работы отключите источник питания, после чего разберите электрическую цепь.

13. Обнаружив неисправность в электрических установках, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник тока и сообщите об этом учителю.

14. По окончании работы отключите источник электропитания, после чего разберите электрическую цепь.

15.Не уходите с рабочего места без разрешения преподавателя.

Определение погрешностей измерений

Выполнение лабораторных работ связано с измерением различных физических величин и последующей обработкой их результатов.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путем с помощью средств измерений. Прямое измерение - определение значений физической величины непосредственно средствами измерения.

Косвенное измерение - определение значения физической величины по формуле, связывающей ее с другими физическими величинами, определяемыми прямыми измерениями. Погрешность измерения - оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

Допустим, что I (сила тока) - физическая величина.

I_пр - приближенное значение физической величины, т. е. значение, полученное путем прямых или косвенных измерений.

I_ист.- истинное (действительное ) значение измеряемой величины.

Абсолютная погрешность ΔI - это разность между измеренным I _пр и истинным I_ист значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины:

ΔI = I _пр - I_ист

Относительная погрешность ε - это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины.

ε= ΔI/ Iист *100%

Инструментальные (приборные или аппаратурные ) погрешности обусловлены погрешностями применяемых средств измерений и занесены в паспорт прибора. Эти погрешности обусловлены конструктивными и технологическими недостатками средств измерений, а также следствием их износа, старения или неисправности.Таблица 1. Абсолютные инструментальные погрешности средств измерений. Линейка

ученическая

чертёжная

инструментальная (стальная)

демонстрационная

До 50 см

До 50 см

20 см

100 см

1мм

1мм

1мм

1см

±1мм

±0,2мм

±0.1мм

±0.5см

2

Лента измерительная

150 см

0,5 см

±0,5 см

3

Измерительный цилиндр

До 250 мм

1 мл

±1 мл

4

Штангенциркуль

150 мм

0,1 мм

±0,05 мм

5

Микрометр

25 мм

0,01 мм

±0,005 мм

6

Динамометр учебный

4 Н

0,1

±0,05 Н

7

Весы учебные

200 г

-

±0,01 г

8

Секундомер

0-30 мин

0,2 с

±1 с за 30 мин

9

Барометр-анероид

720-780 мм

1 ммрт. ст.

±3 мм рт. ст.

10

Термометр лабораторный

0-100 °С

1 °С

±1°С

11

Амперметр школьный

2 А

0,1 А

±0,05 А

12

Вольтметр школьный

6 В

0,2 В

±0,15 В

ΔА_и- абсолютная инструментальная погрешность, определяемая конструкцией прибора (погрешность средств измерения; см. табл. 1.)

ΔА_о- абсолютная погрешность отсчета (получающаяся от недостаточно точного отсчета показаний средств измерения), она равна в большинстве случаев половине цены деления; при измерении времени - цене делении секундомера или часов.

Максимальная абсолютная погрешность прямых измерений складывается из абсолютной инструментальной погрешности и абсолютной погрешности отсчета при отсутствии других погрешностей:

ΔА=ΔАи+ΔАо

Абсолютная погрешность косвенных измерений

∆А_косв=ε_А*А_пр(e-выражается десятичной дробью)

Ответ записывается в форме: А = А_пр ± ΔА_косв

Таблица 2. Относительная погрешность косвенных измерений.

Вид формулы физической величины

Формула относительной погрешности

1.

Х=А+В+С

2.

Х=А-В

3.

Х=А*В*С

4.

Х = Аⁿ

(Х = ВС²)

= ΔB/B + 2ΔC/C

5.

Х=А/В

6.

Х=

Х = B

+

ПРИМЕР :

Лабораторная работа №1. Вычислим погрешность измерения коэффициента трения , измеренного с помощью динамометра.

Вес бруска с грузами Р = N=1,8 Н. F_тр=0,6 Н, μ_пр=0,33.

Инструментальная погрешность динамометра ( таблица 1) Δ _и =0,05Н, Погрешность отсчета - половина цены деления(таблица 1) Δ _о = 0,05Н .

Абсолютная погрешность прямых измерений рассчитывается по формуле :

ΔА=ΔАи+ΔА₀

Абсолютная погрешность измерения веса и силы трения ∆А= 0,05Н+0,05Н = 0,1 Н.(Измерения были проведены одним прибором-динамометром)

Относительная погрешность измерения (в таблице 5-я строчка)

.

Абсолютная погрешность косвенного измерения ∆ μ =ε _μ * μ _пр ∆ μ = 0,22*0,33=0,074 Ответ:

Оценка лабораторных работ

Оценка «5» ставится в том случае, если обучающийся:

а) выполнил работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений;

б) в представленном отчете правильно и аккуратно выполнил все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления и сделал выводы;

в) полностью выполнил анализ погрешностей;

г) соблюдал требования безопасности труда.

Оценка «4» ставится в том случае, если выполнены требования к оценке «5», но допущены недочеты или негрубые ошибки.

Оценка «3» ставится, если работа выполнена не полностью или если

а) в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки, приводящие к получению результатов с большей погрешностью,

б) не выполнен совсем или выполнен неверно анализ погрешностей.

Оценка «2» ставится в том случае, если

работа выполнена не полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов.

Выполнение дополнительного задания может быть учтено при оценивании основной работы при наличии в ней недостатков или оценивается как отдельная самостоятельная работа.

Лабораторная работа №5

(репродуктивный уровень)

Цель работы: Опытным путем определить удельное сопротивление проводника, сравнить вычисленное значение с табличным.

Приборы и материалы: Испытуемая проволока, амперметр, вольтметр, источник тока, соединительные провода, линейка.

Теоретическое обоснование:В твердом состоянии все металлы имеют кристаллическое строение. При образовании металлического кристалла, атомы отдают часть своих электронов "в общее пользование", благодаря чему в металлическом кристалле образуется "электронный газ". Атомы, лишенные части своих электронов становятся положительно заряженными ионами.

Ионы металла расположены упорядоченно, образуя кристаллическую решетку (рис.1). Внутри нее и находится "электронный газ", представляющий хаотично движущиеся свободные электроны.

Если в металле возникает электрическое поле, свободные электроны начинают смещаться в направлении этого поля, создавая в металле электрический ток, и при столкновении с ионами кристаллической решетки отдают им запас кинетической энергии. Возникает сопротивление проводника, причиной которого является взаимодействие движущихся электронов с ионами кристаллической решётки. Электрическое сопротивление - физическая величина. Обозначается буквой R.

Разные проводники обладают различным сопротивлением из-за различия в их строении кристаллической решётки, из-за разной длины и площади поперечного сечения. На опыте установлено, что сопротивление металлического проводника прямо пропорционально его длине и обратно пропорционально площади поперечного сечения :

R = ( 1 ),где коэффициент называется удельным сопротивлением и служит характеристикой вещества, из которого изготовлен проводник.

Удельное электрическое сопротивление, или просто удельное сопротивление вещества характеризует его способность проводить электрический ток. Из формулы(1) можно выразить значение удельного сопротивления:

ρ = (2). Размерность удельного сопротивления [ρ]= или Ом·м(в СИ).

Физический смысл удельного сопротивления в СИ: сопротивление однородного куска проводника длиной 1 м и площадью токоведущего сечения 1 м²(рис.2).

Рисунок 2Таблица 3. Удельное сопротивление некоторых проводников

Наименование материала проводника

p, Ом*мм/м

Наименование материала проводника

р, Om*мм/м

Алюминий

0,028

Николин

0,42

Вольфрам

0,053

Серебро

0.016

Железо

0,098

Сталь

0,12

Константин

0,480

Нихром

1.1

Латунь

0,071

Свинец

0,210

Медь

0.017

Хромель

1,1

Из таблицы видно, что лучший проводник - серебро, но большая стоимость серебра исключает возможность его массового применения. После серебра в таблице идет медь, которая получила повсеместное применение в электротехнике для изготовления проводов, кабелей, обмоток электрических машин и аппаратов.

Удельное сопротивление алюминия 0,026÷0,029 (ом ∙мм²)/м чуть выше, чем у меди, но производство и стоимость этого металла ниже. Плотность этого металла значительно меньше других металлов (2700 кг/м³⁾.Этим объясняется его широкое применение в энергетике для изготовления проводов высоковольтных линий и жил кабелей.

Стальные сплавы обладают повышенной прочностью. Поэтому в алюминиевые воздушные провода высоковольтных линий электропередач вплетают стальные нити, которые предназначены для противостояния нагрузкам, действующим на разрыв. Особенно актуально это при образовании наледи на проводах или сильных порывах ветра.

На сопротивление проводника влияет его температура. Вследствие усиления колебаний узлов кристаллической решетки с ростом температуры появляется все больше и больше препятствий на пути направленного движения свободных электронов т.е. уменьшается средняя длина свободного пробега электрона ,и, как следствие возрастает удельное сопротивление.

Однако, если с повышением температуры сопротивление металлов увеличивается, сопротивление жидкостей и угля уменьшается. Только некоторые специальные металлические сплавы (манганин, константан', никелин, и др.) с увеличением температуры своего сопротивления почти не меняют. У никелина удельное электрическое сопротивление практически не меняется от 0 до 100 градусов по Цельсию. Поэтому спирали для реостатов изготавливают из никелина.

При уменьшении температуры металла сопротивление проводника уменьшается, что приводит к увеличению тока в цепи. При охлаждении до критической температуры во многих металлах проявляется явление сверхпроводимости, когда их электрическое сопротивление практически равно нулю. Это свойство широко используется в мощных электромагнитах.

В измерительных приборах широко применяется свойство прямой зависимости удельного сопротивления платины от ее температуры (рис.3). Если через платиновый проводник пропускать электрический ток от стабилизированного источника напряжения и вычислять значение сопротивления, то оно будет указывать температуру платины.

Рисунок3. Рисунок 4

Это позволяет градуировать шкалу в градусах, соответствующих значениям сопротивления при данной температуре. Этот способ позволяет измерять температуру с точностью до долей градусов в температурных датчиках. представляющих собой проволоку из платины или чистого никеля, вплавленных в кварц (рис.4).

Для небольших интервалов температуры сопротивление металлов описывается формулой : R= R(1 +α∆t),где R - сопротивление проводника при температуре t=0 С , α- температурный коэффициент сопротивления , ∆t=t - t.

Сила тока в металлическом проводнике пропорциональна напряжению U на концах цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка: I = (1)

Где R - электрическое сопротивление участка цепи. Это утверждение называют законом Ома.

Сила тока измеряется амперметром, который включается в цепь последовательно.

Напряжение измеряется вольтметром, который включается в цепь параллельно резистору.

Контрольные вопросы:Объясните причину возникновения сопротивления проводника прохождению электрического тока.

2.

Запишите формулу для расчета сопротивления, связанную с его геометрическими размерами

3.

Что называется удельным сопротивлением проводника?

4.

Запишите единицы измерения удельного сопротивления в СИ.

5.

В чем заключается физический смысл удельного сопротивления проводника?

6.

Сформулируйте закон Ома для участка цепи.

7.

Почему медь широко используется для изготовления проводов?

8.

Почему алюминий используется для изготовления проводов высоковольтных линий?

9.

Как изменяется сопротивление при изменении температуры проводника.

10.

Запишите единицы измерения температурного коэффициента сопротивления

Порядок выполнения работы:

В данной работе в качестве резистора используется проволока, удельное сопротивление которой требуется определить опытным путем.

Соберите электрическую цепь по схеме цепь, соединив последовательно источник тока, резистор, амперметр и ключ. Параллельно резистору подключите вольтметр. Соблюдайте полярность включения амперметра и вольтметра.

3.

Замкните цепь и измерьте значение силы тока и напряжения. Запишите показания приборов в таблицу 4.

4.

Определите сопротивление проводника по закону Ома для участка цепи

5.

Определите с помощью микрометра диаметр проволоки (D) и найдите радиус проволоки(r) , равный половине диаметра.

6.

Рассчитайте площадь поперечного сечения проводника, имеющего форму круга радиуса r .

S= r

7.

Рассчитайте по формуле удельное сопротивление проводника и сравните найденное значение с табличным (таблица3).

ρ =

8.

Результаты измерений и расчетов занесите в таблицу 4 .

Таблица 4Измерено

Вычислено

Длина проволоки, l ,м

Диаметр проволоки,

D ,мм

Сила тока I,А

Напряжение U ,В

Площадь поперечного сечения проводника s,мм²

Сопротивление

R,Ом

Удельное сопротивление ρ,Ом мм/ м

9.

Определите абсолютную погрешность прямых измерений силы тока ΔА_а (амперметр), напряжения ΔА_v (вольтметр), длины проводника, диаметра проволоки ΔА_l (линейка измерительная) (таблица 1)

ΔА_а=ΔАи_а+ΔА₀

_{___________________________}

ΔА_v=ΔАи_а+ΔА₀

_{__________________________}

ΔА_l=ΔАи_l+ΔА₀

_{_________________________}

10.

Определите относительную погрешность измерения удельного сопротивления проводника (таблица 2)

___________________

11.

Вычислите абсолютную погрешность косвенных измерений удельного сопротивления

∆ρ =ρ_пр*

12.

Запишите окончательный результат в виде:

∆ρ = ρ _пр. ∆ρ

______________

Вывод:

________________________________________________________________________________________________________________________________

Дополнительное задание №1 (частично - поисковый уровень):

Приборы и материалы: Набор испытуемых проволок, амперметр, вольтметр, источник тока, соединительные провода, линейка, электроизоляционный сосуд прямоугольной формы, два плоских электрода из меди, поваренная соль.

Пояснения к выполнению работы частично - поискового характера:

1. Имеются два стальных проводника одинаковой толщины, но разной длины. Поочередно включая их в электрическую цепь, измерьте силу тока и напряжение. Изобразите соответствующую опыту электрическую схему. Используя формулу закона Ома, вычислите сопротивление каждого проводника и сравните их. Сделать вывод: зависит ли сопротивление проводника от его длины?

2. Имеются два стальных проводника одинаковой длины, но разной толщины (разной площади поперечного сечения). Проведите эксперимент, доказывающий или опровергающий зависимость сопротивления проводника от его длины.

3.Используя электроизоляционный сосуд и два электрода из меди, предложите экспериментальный способ определения удельного сопротивления воды. Для улучшения проводимости воды рекомендуется добавить в раствор некоторое количество соли.

4. Результаты опыта занесите в таблицу, в которой представьте отдельно измеряемые и вычисленные с помощью формул физические величины.

5. Сделайте вывод о зависимости сопротивления проводника от его геометрических размеров и свойств проводника.

Дополнительное задание №2(поискового характера):

Докажите следующие утверждения:

А) Часть сплавов, например, никелин не изменяют сопротивление в диапазоне 0 до 100 градусов по Цельсию.

Б) На удельное сопротивление влияет способ их обработки: изменение внешнего давления или деформация проводника.

В) Температура вольфрамовой нити в лампе накаливания может достигать 2000С⁰.

1.Самостоятельно подберите необходимое оборудование для подтверждения этих утверждений

2.Составьте план выполнения лабораторной работы и покажите его преподавателю.

3.Выполните лабораторную работу по разработанному плану. Проведите необходимые эксперименты.

4.Отчет может быть представлен в виде описания полученных результатов и таблицы, в которую должны войти физические величины, измеренные в ходе эксперимента.

Литература и интернет- источники:

1.Учебник «Физика -10» Генденштейн Л.Э. ,Дик Ю.И. М.Илекса, 2012 г.

2.Учебник «Физика -11» Генденштейн Л.Э. ,Дик Ю.И. М.Илекса,

2012 г

3.electricalschool.info/

4.ru.wikipedia.org/</</p>

5. www.phizik.cjb.net