Файл: Методические указания к выполнению лабораторной работы для студентов специальностей.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 08.11.2023
Просмотров: 35
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
V» мультиметра; «–» конденсатора – с разъемом «COM» мультиметра.
В качестве перемычки ключа К в лабораторной работе используется провод с двумя штекерами, один из которых можно подключать в разъемы 1 или 2 (рис. 4).
3.6. Кнопкой 1 таймера (рис.6) выбрать режим «СЕКУНДОМЕР».
3.7. Подготовить таблицы 1 и 2 для записи результатов эксперимента. Для сопротивления R=10 кОм рекомендуется шаг по времени t в таблицах выбрать 20 секунд, для 30 или 40 кОм - 30 секунд, для R≥50 кОм – 60 секунд.
Таблица 1 – Зарядка конденсатора, R=… кОм, =…В
Таблица 2 – Разрядка конденсатора, R=… кОм, U0 =…В
3.8. Показать собранную схему преподавателю. Получить разрешение на проведение измерений.
3.9. Включить мультиметр, переведя его позиционным переключателем в режим вольтметра постоянного напряжения с пределом измерения 20 В (положение переключателя DCV 20).
3.10. Подключить комплекс к электрическому питанию. Подключить сетевой кабель блока питания к розетке на стенке установки. Конденсатор начнет заряжаться.
3.11. Перевести перемычку ключа К в положение 2 (рис.4). Конденсатор начнет разряжаться.
Зарядка конденсатора
3.12. Разрядить конденсатор, замкнув его кратковременно одним из проводов накоротко.
3.13. Одновременно, перевести перемычку ключа К в положение 1 (рис. 4) и запустить кнопкой 2 таймера (рис. 6) отсчет времени зарядки конденсатора.
3.14. Снять зависимость U =f(t) при зарядке конденсатора С, для этого записать показания мультиметра в моменты времени указанные в первой строке таблицы 1 (не менее 10 значений). Таким образом, заполнить вторую строку таблицы 1.
3.15. Остановить и обнулить отсчет времени, поочередно нажав на кнопку 2 и 3 таймера.
3.16. Зарядить конденсатор до насыщения, кратковременно замкнув сопротивление R одним из проводов накоротко.
Разрядка конденсатора
3.17. Одновременно, перевести перемычку ключа К в положение 2 и запустить отсчет времени разрядки конденсатора.
3.18. Снять зависимость U=f(t) при разрядке конденсатора С от U0, достигнутого в процессе зарядки, для этого снять показания мультиметра в моменты времени указанные в первой строке таблицы 2 (не менее 10 значений). Таким образом, заполнить вторую строку таблицы 2.
3.19. Остановить и обнулить отсчет времени, поочередно нажав на кнопку 2 и 3 таймера.
Выявление случайной погрешности
3.20. Провести для последующей оценки случайной погрешности измерения напряжения на исследуемом конденсаторе С серию измерений значения напряжения U, соответствующего первой экспериментальной точке на кривой зарядки. Для этого необходимо предварительно выполнить п.п. 3.12-3.13.
3.21. Через интервал времени t=30с (60 с для R40 кОм) записать показания мультиметра в таблицу 3.
Таблица 3 – Погрешность измерений
3.22. Перевести перемычку ключа К в положение 2.
3.23. Остановить и обнулить отсчет времени, поочередно нажав на кнопку 2 и 3 таймера.
3.24. Повторить п.п. 3.20-3.23 не менее пяти раз, заполнив строку 2 таблицы 3.
3.25. Показать результаты измерения преподавателю.
3.26. Отключить блок питания от электрической сети.
3.27. Разобрать электрическую схему эксперимента.
3.28. Выключить приборы.
ВНИМАНИЕ. Не забудьте выключить мультиметр, переводя ручку его позиционного переключателя в вертикальное положение. Вытащить вилку блока питания из розетки на каркасе установки.
3.29. Сдать принадлежности преподавателю.
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. Рассчитать погрешность измерения напряжения и заполнить таблицу 3. Учесть, что приборная погрешность мультиметра 0,5% от предела измерений.
4.2. Рассчитать погрешности косвенного измерения в таблицах 1 и 2. Заполнить таблицы 1 и 2.
4.3. Построить графики зависимости зарядки и разрядки конденсатора U=f(t) (см. рис. 3) по данным таблиц 1 и 2 с учетом погрешности напряжения (U) (таблица 3), которую принять для всех значений одинаковой.
4.4. Графическим способом определить постоянную времени цепи зарядки τЗАР и разрядки τРАЗ.
4.5. Построить графики зависимости зарядки
=f(t) и разрядки конденсатора 
=f(t) по данным таблиц 1 и 2 с учетом погрешностей.
4.6. Графическим способом определить постоянную времени цепи зарядки τЗАР и разрядки τРАЗ по угловым коэффициентам наклона прямых
. (15)
где (t1, ln(ε-U1)), (t2, ln(ε-U
2)) и (t1, lnU1), (t2, lnU2) – координаты двух точек взятых на проведенной прямой ln(ε-U)=f(t) зарядки и графике lnU=f(t) разрядки конденсатора. Полученные значения сравнить со значениями в п. 4.4.
4.7. Графически оценить случайную погрешность (τ) измерения τЗАР и τРАЗ. Для этого провести относительно экспериментальных точек две прямые с максимально и минимально возможным наклоном к оси времени так, чтобы они не выходили из доверительных интервалов точек. По построенным прямым, используя формулы (15), найти максимальное τMAX и минимальное τMIN значения постоянной времени цепи. Величину случайной погрешности (τ)_ измерения постоянной времени цепи определить как
(τ) = (τMAX – τMIN)/2. (16)
Найденная таким способом погрешность является максимально возможной. Отметим, что существуют аналитические методы проведения «наилучшей» прямой относительно экспериментальных точек и нахождения погрешности наклона (постоянной времени цепи) этой прямой. К их числу, например, относится метод наименьших квадратов.
4.8. Записать окончательный результат в виде
τЗАР±(τЗАР), τРАЗ±(τРАЗ).
4.9. По формуле
С=/R (17)
определить емкость конденсатора по постоянной времени зарядки и разрядки.
4.10. Рассчитать погрешность косвенного измерения емкости C. Учесть, что погрешность сопротивления составляет 5% от номинального значения.
4.11. Записать окончательный результат в виде
СЗАР±(СЗАР), СРАЗ±(СЗАР).
4.12. Сформулировать выводы. Оформить отчет по лабораторной работе.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Как называется величина RС? Как графически ее найти? Какова размерность RС в системе СИ?
5.2. Как меняется ток во времени при зарядке и разрядке конденсатора?
5.3. Какие виды ошибок обусловливают погрешность определения значения постоянной времени цепи?
5.4. Вывести формулу (5) или (10).
5.5. Как графически проверить соответствие наблюдаемой функциональной связи величин теоретически ожидаемой?
6. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
6.10. Зеленский В.И. Руководство к лабораторным работам по физике.–Ханты-Мансийск. –2004.–30 с.
6.11. Ю.И.Беззубов. Изучение процесса зарядки и разрядки конденсатора /Методические указания к лабораторной работе Э-3 по курсу "Общая физика", МГТУ, 1992.
В качестве перемычки ключа К в лабораторной работе используется провод с двумя штекерами, один из которых можно подключать в разъемы 1 или 2 (рис. 4).
3.6. Кнопкой 1 таймера (рис.6) выбрать режим «СЕКУНДОМЕР».
3.7. Подготовить таблицы 1 и 2 для записи результатов эксперимента. Для сопротивления R=10 кОм рекомендуется шаг по времени t в таблицах выбрать 20 секунд, для 30 или 40 кОм - 30 секунд, для R≥50 кОм – 60 секунд.
Таблица 1 – Зарядка конденсатора, R=… кОм, =…В
| t, с | 0 | t | 2t | 3t | 4t | … | … | … | … | … | … |
| U, В | | | | | | | | | | | |
| –U | | | | | | | | | | | |
 | | | | | | | | | | | |
| (ln(-U)) | | | | | | | | | | | |
Таблица 2 – Разрядка конденсатора, R=… кОм, U0 =…В
| t, с | 0 | t | 2t | 3t | 4t | … | … | … | … | … | … |
| U, В | | | | | | | | | | | |
 | | | | | | | | | | | |
| (ln(U)) | | | | | | | | | | | |
3.8. Показать собранную схему преподавателю. Получить разрешение на проведение измерений.
3.9. Включить мультиметр, переведя его позиционным переключателем в режим вольтметра постоянного напряжения с пределом измерения 20 В (положение переключателя DCV 20).
3.10. Подключить комплекс к электрическому питанию. Подключить сетевой кабель блока питания к розетке на стенке установки. Конденсатор начнет заряжаться.
3.11. Перевести перемычку ключа К в положение 2 (рис.4). Конденсатор начнет разряжаться.
Зарядка конденсатора
3.12. Разрядить конденсатор, замкнув его кратковременно одним из проводов накоротко.
3.13. Одновременно, перевести перемычку ключа К в положение 1 (рис. 4) и запустить кнопкой 2 таймера (рис. 6) отсчет времени зарядки конденсатора.
3.14. Снять зависимость U =f(t) при зарядке конденсатора С, для этого записать показания мультиметра в моменты времени указанные в первой строке таблицы 1 (не менее 10 значений). Таким образом, заполнить вторую строку таблицы 1.
3.15. Остановить и обнулить отсчет времени, поочередно нажав на кнопку 2 и 3 таймера.
3.16. Зарядить конденсатор до насыщения, кратковременно замкнув сопротивление R одним из проводов накоротко.
Разрядка конденсатора
3.17. Одновременно, перевести перемычку ключа К в положение 2 и запустить отсчет времени разрядки конденсатора.
3.18. Снять зависимость U=f(t) при разрядке конденсатора С от U0, достигнутого в процессе зарядки, для этого снять показания мультиметра в моменты времени указанные в первой строке таблицы 2 (не менее 10 значений). Таким образом, заполнить вторую строку таблицы 2.
3.19. Остановить и обнулить отсчет времени, поочередно нажав на кнопку 2 и 3 таймера.
Выявление случайной погрешности
3.20. Провести для последующей оценки случайной погрешности измерения напряжения на исследуемом конденсаторе С серию измерений значения напряжения U, соответствующего первой экспериментальной точке на кривой зарядки. Для этого необходимо предварительно выполнить п.п. 3.12-3.13.
3.21. Через интервал времени t=30с (60 с для R40 кОм) записать показания мультиметра в таблицу 3.
Таблица 3 – Погрешность измерений
| № п.п. | 1 | 2 | … | | |
| U, В | | | | | |
| случ(U), В | | сист(U), В | | (U), В | |
3.22. Перевести перемычку ключа К в положение 2.
3.23. Остановить и обнулить отсчет времени, поочередно нажав на кнопку 2 и 3 таймера.
3.24. Повторить п.п. 3.20-3.23 не менее пяти раз, заполнив строку 2 таблицы 3.
3.25. Показать результаты измерения преподавателю.
3.26. Отключить блок питания от электрической сети.
3.27. Разобрать электрическую схему эксперимента.
3.28. Выключить приборы.
ВНИМАНИЕ. Не забудьте выключить мультиметр, переводя ручку его позиционного переключателя в вертикальное положение. Вытащить вилку блока питания из розетки на каркасе установки.
3.29. Сдать принадлежности преподавателю.
4. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
4.1. Рассчитать погрешность измерения напряжения и заполнить таблицу 3. Учесть, что приборная погрешность мультиметра 0,5% от предела измерений.
4.2. Рассчитать погрешности косвенного измерения в таблицах 1 и 2. Заполнить таблицы 1 и 2.
4.3. Построить графики зависимости зарядки и разрядки конденсатора U=f(t) (см. рис. 3) по данным таблиц 1 и 2 с учетом погрешности напряжения (U) (таблица 3), которую принять для всех значений одинаковой.
4.4. Графическим способом определить постоянную времени цепи зарядки τЗАР и разрядки τРАЗ.
4.5. Построить графики зависимости зарядки
=f(t) и разрядки конденсатора =f(t) по данным таблиц 1 и 2 с учетом погрешностей.4.6. Графическим способом определить постоянную времени цепи зарядки τЗАР и разрядки τРАЗ по угловым коэффициентам наклона прямых
. (15)где (t1, ln(ε-U1)), (t2, ln(ε-U
2)) и (t1, lnU1), (t2, lnU2) – координаты двух точек взятых на проведенной прямой ln(ε-U)=f(t) зарядки и графике lnU=f(t) разрядки конденсатора. Полученные значения сравнить со значениями в п. 4.4.
4.7. Графически оценить случайную погрешность (τ) измерения τЗАР и τРАЗ. Для этого провести относительно экспериментальных точек две прямые с максимально и минимально возможным наклоном к оси времени так, чтобы они не выходили из доверительных интервалов точек. По построенным прямым, используя формулы (15), найти максимальное τMAX и минимальное τMIN значения постоянной времени цепи. Величину случайной погрешности (τ)_ измерения постоянной времени цепи определить как
(τ) = (τMAX – τMIN)/2. (16)
Найденная таким способом погрешность является максимально возможной. Отметим, что существуют аналитические методы проведения «наилучшей» прямой относительно экспериментальных точек и нахождения погрешности наклона (постоянной времени цепи) этой прямой. К их числу, например, относится метод наименьших квадратов.
4.8. Записать окончательный результат в виде
τЗАР±(τЗАР), τРАЗ±(τРАЗ).
4.9. По формуле
С=/R (17)
определить емкость конденсатора по постоянной времени зарядки и разрядки.
4.10. Рассчитать погрешность косвенного измерения емкости C. Учесть, что погрешность сопротивления составляет 5% от номинального значения.
4.11. Записать окончательный результат в виде
СЗАР±(СЗАР), СРАЗ±(СЗАР).
4.12. Сформулировать выводы. Оформить отчет по лабораторной работе.
5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
5.1. Как называется величина RС? Как графически ее найти? Какова размерность RС в системе СИ?
5.2. Как меняется ток во времени при зарядке и разрядке конденсатора?
5.3. Какие виды ошибок обусловливают погрешность определения значения постоянной времени цепи?
5.4. Вывести формулу (5) или (10).
5.5. Как графически проверить соответствие наблюдаемой функциональной связи величин теоретически ожидаемой?
6. РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
-
Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики: учеб. пособие для втузов.– 2-е изд., испр. и доп.– М.: Высш. шк., 1999.– 718 с.: ил. -
Савельев И.В. Курс общей физики: учеб. Пособие: в 3-х т. Т.2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – 3-е изд., испр. –М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1988. –496 с.: ил. -
Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие для вузов.– 5-е изд., стер.– М.: Высш. шк., 1998.– 542 с.: ил. -
Лабораторные занятия по физике: учебное пособие/ Гольдин Л.Л. и др.; под ред. Гольдина Л.Л.–М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983.–704 с. -
Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов/ Н.Н. Евтихеев и др.; под общ. ред. Н.Н. Евтихеева.–М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.: ил. -
ГОСТ 8.417-2002 Единицы физических величин. -
ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов измерений. Основные положения. -
ГОСТ 2.105-95 Общие требования к текстовым документам. -
Лабораторный практикум по электрическим и магнитным явлениям: учебное пособие для студентов всех специальностей всех форм обучения /Орлов В.Л. и др., под ред. Хаустовой В.И.; Алт. гос. тех. ун-т им. И.И. Ползунова. – Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2005.–174 с.
6.10. Зеленский В.И. Руководство к лабораторным работам по физике.–Ханты-Мансийск. –2004.–30 с.
6.11. Ю.И.Беззубов. Изучение процесса зарядки и разрядки конденсатора /Методические указания к лабораторной работе Э-3 по курсу "Общая физика", МГТУ, 1992.