Лабораторная работа "Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока" скачать

1

Лабораторная работа

«Измерение ЭДС и внутреннего

сопротивления источника тока»

Дисциплина Физика

Преподаватель Виноградов А.Б.

Нижний Новгород

2014 г.

2

Цель работы: сформировать умение определения ЭДС

и внутреннего сопротивления источника тока с

помощью амперметра и вольтметра.

Оборудование: выпрямитель ВУ-4М, амперметр,

вольтметр, соединительные провода, элементы

планшета №1: ключ, резистор R

1

.

Теоретическое содержание работы.

Внутреннее сопротивление источника тока.

При прохождении тока по замкнутой цепи,

электрически заряженные частицы перемещаются не

только внутри проводников, соединяющих полюса

источника тока, но и внутри самого источника тока.

Поэтому в замкнутой электрической цепи различают

внешний и внутренний участки цепи. Внешний участок

цепи составляет вся та совокупность проводников,

которая подсоединяется к полюсам источника тока.

Внутренний участок цепи — это сам источник тока.

Источник тока, как и любой другой проводник,

обладает сопротивлением. Таким образом, в

электрической цепи, состоящей из источника тока и

проводников с электрическим сопротивлением R, элек-

трический ток совершает работу не только на внешнем,

но и на внутреннем участке цепи. Например, при

подключении лампы накаливания к гальванической

батарее карманного фонаря электрическим током

нагреваются не только спираль лампы и подводящие

провода, но и сама батарея. Электрическое сопротивле-

3

ние источника тока называется внутренним

сопротивлением. В электромагнитном генераторе

внутренним сопротивлением является электрическое

сопротивление провода обмотки генератора. На

внутреннем участке электрической цепи выделяется

количество теплоты, равное

(1)

где r — внутреннее сопротивление источника тока.

Полное количество теплоты, выделяющееся при

протекании постоянного тока в замкнутой цепи,

внешний и внутренний участки которой имеют

сопротивления, соответственно равные R и r , равно

. (2)

Всякую замкнутую цепь можно представить как

два последовательно соединенных резистора с

эквивалентными сопротивлениями R и r. Поэтому

сопротивление полной цепи равно сумме внешнего и

внутреннего сопротивлений: . Поскольку при

последовательном соединении сила тока на всех

участках цепи одинакова, то через внешний и

внутренний участок цепи проходит одинаковый по

величине ток. Тогда по закону Ома для участка цепи

падение напряжений на ее внешнем и внутреннем

участках будут соответственно равны:

и

(3)

Электродвижущая сила.

Полная работа сил электростатического поля при

2

,

вн

Q I r t Дж=  

( )

2 2 2

,

полн

Q I R t I r t I R r t Дж=   +    =  +  

п

R R r=+

1

U I R=

2

U I r=

4

движении зарядов по замкнутой цепи постоянного тока

равна нулю. Следовательно, вся работа электрического

тока в замкнутой электрической цепи оказывается со-

вершенной за счет действия сторонних сил,

вызывающих разделение зарядов внутри источника и

поддерживающих постоянное напряжение на выходе

источника тока. Отношение работы , совершаемой

сторонними силами по перемещению заряда q вдоль

цепи, к значению этого заряда называется

электродвижущей силой источника (ЭДС) :

,

(4)

где — переносимый заряд.

ЭДС выражается в тех же единицах, что и

напряжение или разность потенциалов, т. е. в вольтах:

.

Закон Ома для полной цепи.

Если в результате прохождения постоянного тока

в замкнутой электрической цепи происходит только

нагревание проводников, то по закону сохранения

энергии полная работа электрического тока в

замкнутой цепи, равная работе сторонних сил источни-

ка тока, равна количеству теплоты, выделившейся на

внешнем и внутреннем участках цепи:

. (5)

Из выражений (2), (4) и (5) получаем:

ст

A



ст

A

q



=



q

 

1В



=

ст полн

A A Q==

5

. (6)

Так как , то

, (7)

или

. (8)

Сила тока в электрической цепи прямо

пропорциональна электродвижущей силе источ-

ника тока и обратно пропорциональна сумме

электрических сопротивлений внешнего и внут-

реннего участков цепи. Выражение (8) называется

законом Ома для полной цепи.

Таким образом, с точки зрения физики Закон Ома

выражает закон сохранения энергии для замкнутой

цепи постоянного тока.

Порядок выполнения работы.

1. Подготовка к выполнению работы.

Перед вами на столах находится

минилаборатория по электродинамике. Её вид

представлен в л. р. № 9 на рисунке 2.

Слева находятся миллиамперметр, выпрямитель

ВУ-4М, вольтметр, амперметр. Справа закреплен

планшет № 1 (см. рис. 3 в л. р. № 9). В задней секции

корпуса размещаются соединительные провода

цветные: красный провод используют для подключения

ВУ-4М к гнезду «+» планшета; белый провод — для

( )

2

q I R r t



  =  +  

q I t = 

( )

2

I t I R r t



   =  +  

( )

I R r



=  +

I

Rr



=

+



6

подключения ВУ-4М к гнезду «-»; желтые провода -

для подключения к элементам планшета

измерительных приборов; синие - для соединения

между собой элементов планшета. Секция закрыта

откидной площадкой. В рабочем положении площадка

располагается горизонтально и используется в качестве

рабочей поверхности при сборке экспериментальных

установок в опытах.

2. Ход работы.

В ходе работы вы освоите метод измерения

основных характеристик источника тока, используя

закон Ома для полной цепи, который связывает силу

тока I в цепи, ЭДС источника тока , его внутреннее

сопротивление r и сопротивление внешней цепи R

соотношением:

. (9)

1 способ.

Схема экспериментальной установки показана на

рисунке 1.

Рис.1.

Внимательно изучите её. При разомкнутом

ключе В источник замкнут на вольтметр,

сопротивление которого много больше внутреннего



I R I r



=  + 

7

сопротивления источника (r<<R). В этом случае ток в

цепи настолько мал, что можно пренебречь значением

падения напряжения на внутреннем сопротивлении

источника , и ЭДС источника с пренебрежимо

малой погрешностью равна напряжения на его зажимах

, которое измеряется вольтметром, т.е.

.

(10)

Таким образом, ЭДС источника определяется по

показаниям вольтметра при разомкнутом ключе В.

Если ключ В замкнуть, вольтметр покажет

падение напряжения на резисторе R:

.

(11)

Тогда на основании равенств (9), (10) и (11)

можно утверждать, что

(12)

Из формулы (12) видно, что для определения

внутреннего сопротивления источника тока

необходимо, кроме его ЭДС, знать силу тока в цепи и

напряжение на резисторе R при замкнутом ключе.

Силу тока в цепи можно измерить при помощи

амперметра. Проволочный резистор изготовлен из

нихромовой проволоки и имеет сопротивление 5 Ом.

Соберите цепь по схеме, показанной на рисунке

3.

Ir

1

U

1

U



=

1

U

2

U I R=

( )

12

UU

r

I

−

=

1

R

8

После того, как цепь будет собрана, необходимо

поднять руку, позвать учителя, чтобы он проверил

правильность сборки электрической цепи. И если цепь

собрана правильно, то приступайте к выполнению

работы.

При разомкнутом ключе В снимите показания

вольтметра и занесите значение напряжения в

таблицу 1. Затем замкните ключ В и опять снимите

показания вольтметра, но уже и показания

амперметра. Занесите значение напряжения и силы

тока в таблицу 1.

Вычислите внутреннее сопротивление источника

тока.

Таблица1.

, В

I, А

, В

r, Ом

2 способ.

Сначала соберите экспериментальную установку,

изображенную на рисунке 2.

1

U

2

U

1

U

2

U



9

А

Рис. 2.

Измерьте силу тока в цепи при помощи

амперметра, результат запишите в тетрадь.

Сопротивление резистора =5 Ом. Все данные

заносятся в таблицу 2.

Теперь соберите экспериментальную установку,

изображенную на рисунке 3.

Рис.3.

Измерьте силу тока в цепи при помощи

амперметра, результат запишите в тетрадь.

Сопротивление резистора =20 Ом.



1

R

1

I

1

R



2

R

2

I

2

R

10

Таблица 2.

Применив закон Ома для полной цепи для

каждого случая, получаем систему двух уравнений с

двумя неизвестными:

Решая её относительно неизвестных и r,

находим значения этих величин.

3. Вывод.

Сравните полученные результаты в первом и во

втором случае. Сделайте вывод.

Контрольные вопросы:

1. Внешний и внутренний участки цепи.

2. Какое сопротивление называются

внутренним? Обозначение.

3. Чему равно полное сопротивление?

4. Дайте определение электродвижущей силы

(ЭДС). Обозначение. Единицы измерения.

1

2

,

.

I

Rr

I

Rr





=



+







=



+





, А

, Ом

, А

, Ом

, В

r, Ом

1

I

1

R

2

I

2

R



11

5. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

6. Если бы мы не знали значения сопротивлений

проволочных резисторов, то можно ли было бы

использовать второй способ и что для этого надо

сделать (может нужно, например, включить в цепь

какой-нибудь прибор)?

7. Уметь собирать электрические цепи,

используемые в работе.

Литература

1. Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб.

Пособие для учащихся.—3-е изд.—

М.:Просвещение,1991.—с.:150-151.

2. Справочник школьника. Физика/ Сост. Т.

Фещенко, В. Вожегова.–М.: Филологическое об-щество

«СЛОВО», ООО «Фирма» «Издательство АСТ», Центр

гуманитарных наук при ф-те журна-листики МГУ им.

М. В. Ломоносова, 1998. — с.: 124,500-501.

3. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических

специальностей): Учебн. для общеобразоват.

учреждений сред. Проф. Образования/ П.

И.Самойленко, А. В. Сергеев.—2-е изд., стер.—М.:

Издательский центр «Академия», 2003-с.: 181-182.

Лабораторная работа "Измерение ЭДС и внутреннего сопротивления источника тока"

Физика - еще материалы к урокам:

Предметы

Похожие материалы