Электронный конструктор

ХIX Республиканский научный конкурс

молодых исследователей «Шаг в будущее Осетии»

Дом детского (юношеского) технического творчества

Тема:

«Электронный конструктор»

Автор:Касаев Сармат

Владикавказский многопрофильный техникум

Россия, РСО-Алания. г.Владикавказ

ул.З.Космодемьянская,56

Научный руководитель:Арустамян Альберт Григорьевич

Преподаватель первой категории ВМТ

Педагог дополнительного образования «Дома техники»

Владикавказ 2017 г.

Автор: Касаев Сармат

ВМТ, Группа №1 «ЖКХ»

Россия, РСО-Алания. г.Владикавказ

ул.З.Космодемьянская,56

Краткая аннотация

Программа предназначена в помощь учащимся (и преподавателям) средних, а также средних специальных учебных заведений для изучения разделов курса физики "Электричество". Он естественным образом дополняет классическую схему обучения, состоящую из усвоения теоретического материала и выработки практических навыков экспериментирования в физической лаборатории.

Программа представляет собой электронный конструктор, позволяющий имитировать на экране монитора процессы сборки электрических схем, исследовать особенности их работы, проводить измерения электрических величин так, как это делается в реальном физическом эксперименте.

Это делается для того, чтобы учащийся наглядно видел последствия своих ошибок, учился разбираться в причинах того или иного неудачного эксперимента и вырабатывал необходимые навыки предварительного анализа схемы.

Для пользования программой достаточно начальных навыков работы в системе Windows.

Описание работы

Рассмотрим работу программы на нескольких примерах, представленных в виде лабораторных работ.

Лабораторная работа №1

Изучение зависимости сопротивления реальных проводников от их геометрических параметров и удельных сопротивлений материалов.

Из теории известно,что

 (1)

Эту величину R называют электрическим сопротивлением проводника.

Установлено, что электрическое сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади S поперечного сечения проводника:

 (2)

2. Порядок выполнения работы

2.1. Соберите на монтажном столе электрическую схему, показанную на рисунке:

2.2. Выберите материал проводника – никель, установите значения длины и площади поперечного сечения:

L = 100 м; S = 0.1 мм²;

2.3. Определите экспериментально с помощью мультиметра напряжение на проводнике.

Для этого необходимо подключить параллельно проводнику мультиметр в режиме измерения постоянного напряжения, соблюдая полярность.

Запишите показания мультиметра.

2.4. Определите экспериментально с помощью мультиметра силу тока в цепи.

Включите мультиметр в режиме измерения постоянного тока последовательно в цепь, соблюдая полярность.

Запишите показания мультиметра.

2.5. Рассчитайте сопротивление проводника по формуле (1).

2.6. Определите удельное сопротивление никеля по формуле (2).

2.7. Проделайте пункты 2.3 – 2.6. изменяя длину, но, не меняя площадь поперечного сечения и материал проводника.

2.8. Результаты измерений занесите в таблицу:

2.9. Найдите среднее значение удельного сопротивления и сравните его с табличным значением.

2.10. Измерьте сопротивление проводника непосредственно с помощью омметра. Сравните полученные результаты.

Сформулируйте выводы по проделанной работе.

3. Контрольные вопросы.

3.1. Что называют удельным сопротивление проводника?

3.2. Как зависит сопротивление проводника от его длины?

3.3. По какой формуле можно рассчитать удельное сопротивление проводника?

3.4. В каких единицах измеряется удельное сопротивление проводника?

Лабораторная работа №2

Исследование сопротивлений проводников при параллельном и последовательном соединении.

Цель: изучить законы протекания тока через последовательно и параллельно соединенные проводники и определить формулы расчета сопротивлений таких участков.

1. Краткое теоретическое описание.

Проводники в схемах могут соединяться последовательно (Рис 1.) и параллельно (Рис.2.).

Рассмотрим схему последовательного соединения проводников, изображенную на Рис. 1.

Напряжение на концах всей цепи складывается из напряжений на каждом проводнике:

U = U₁ + U₂ + U₃, (1)

По закону Ома для участка цепи:

U₁ = R₁I; U₂ = R₂I; U₃ = R₃I; U = RI, (2)

где R - полное сопротивление цепи,

I - общий ток, текущий в цепи.

Из выражений (1) и (2), получаем:

RI = R₁I + R₂I + R₃I,

откуда полное сопротивление цепи последовательно соединенных проводников: R_общ = R₁+ R₂+ R₃ (3)

При последовательном соединении проводников их общее сопротивление равно сумме электрических сопротивлений каждого проводника.

Рассмотрим теперь схему параллельного соединения проводников, изображенную на Рис. 2.

Через цепь течет полный ток I :

I = I₁ + I₂ + I₃. (4)

По закону Ома для участков цепи:

U = R₁I₁; U = R₂I₂; U = R₃I₃; U = RI, (5)

Из выражений (4) и (5), получаем:

I = U/R = U/R₁ + U/R₂ + U/R₃

откуда:

 (6)

При параллельном соединении проводников величина, обратная сопротивлению цепи, равна сумме обратных величин сопротивлений всех параллельно соединенных проводников.

2. Порядок выполнения работы.

2.1. Соберите на монтажном столе электрическую схему, показанную на рисунке:

Выберите номиналы сопротивлений следующими:

R₁ = 1 кОм; R₂ = 2 кОм; R₃ = 3 кОм; R₄ = 4 кОм;

2.2. Определите экспериментально с помощью мультиметра (в режиме измерения сопротивлений) сопротивление между точками:

А и С; С и D; B и D; A и D.

Запишите эти показания.

2.3. Рассчитайте теоретические значения сопротивлений между указанными точками схемы и сравните их с измеренными.

Какие выводы можно сделать из этого опыта?

2.4. Измерьте с помощью мультиметра (в режиме измерения тока) токи, текущие через каждое сопротивление. Запишите показания прибора.

2.4. Проверьте экспериментально, что в последовательной цепи ток одинаков через все сопротивления, а в параллельной цепи разделяется так, что сумма всех токов через параллельно соединенные элементы, равна полному току через весь участок.

2.5. Измерьте с помощью мультиметра (в режиме измерения постоянного напряжения) напряжения на каждом сопротивлении. Запишите показания прибора.

2.6. Проверьте экспериментально, что в последовательной цепи напряжение на всем участке равно сумме напряжений на каждом элементе, а в параллельной цепи, напряжение одно и то же на каждом элементе.

3. Контрольные вопросы.

3.1. Может ли сопротивление участка двух параллельно соединенных проводников быть больше (меньше) любого из них? Объясните ответ.

3.2. Какие законы сохранения используются для вывода формул сопротивления параллельного и последовательного соединения проводников?

3.3. Проанализируйте аналогию между приводимыми здесь формулами и формулой для расчета сопротивления одного проводника через его геометрические параметры: . В чем заключается эта аналогия?

Лабораторная работа №3

ЭДС и внутреннее сопротивление источников постоянного тока. Закон Ома для полной цепи.

Цель: определить внутреннее сопротивление источника тока и его ЭДС.

1. Краткое теоретическое описание

Силы, вызывающие перемещение электрических зарядов внутри источника постоянного тока против направления действия сил электрического поля, называются сторонними силами. Отношение работы А_стор., совершаемой сторонними силами по перемещению заряда D Qвдоль цепи, к значению этого заряда называется электродвижущей силой e источника (ЭДС):

 (1)

Электродвижущая сила выражается в тех же единицах, что и напряжение или разность потенциалов, т.е. в Вольтах.

Работа – эта мера превращения энергии из одного вида в другой.

Е = U_вн. + U (2)

Электродвижущая сила источника равна сумме напряжений на внешнем и внутреннем участке цепи.

При разомкнутой цепи U_вн.= 0, то Е = U (3)

Подставив в равенство (2) выражения для U и U_вн. по закону Ома для участка цепи U = I· R; U_вн. = I· r,получим: Е = I· R + I? r = I· (R + r) (4)

Отсюда

 (5)

Рис1 Таким образом, сила тока в цепи равна отношению электродвижущей силы источника к сумме сопротивлений внешнего и внутреннего участков цепи. Это закон Ома для полной цепи. В формулу (5) входит внутреннее сопротивление r.

2. Порядок выполнения работы

2.1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рисунке 1. Установите сопротивление реостата 7 Ом, ЭДС батарейки 1,5 В, внутреннее сопротивление батарейки 3 Ом.

2.2. При помощи мультиметра определите напряжение на батарейке при разомкнутом ключе. Это и будет ЭДС батарейки в соответствии с формулой (3).

2.3. Замкните ключ и измерьте силу тока и напряжение на реостате. Запишите показания приборов.

2.4. Измените сопротивление реостата и запишите другие значения силы тока и напряжения.

2.5. Повторите измерения силы тока и напряжения для 6 различных положений ползунка реостата и запишите полученные значения в таблицу.

2.6. Рассчитайте внутреннее сопротивление по формуле (11).

2.7. Определите абсолютную и относительную погрешность измерения ЭДС и внутреннего сопротивления батарейки.

3. Контрольные вопросы

3.1. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

3.2. Чему равно ЭДС источника при разомкнутой цепи?

3.3. Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?

3.4. Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?

Лабораторная работа №4

Мощность в цепи постоянного тока

Цель: изучить законы выделения мощности в цепях постоянного тока и согласования источников тока с нагрузкой.

1. Краткое теоретическое описание.

Любой реальный источник тока имеет внутреннее сопротивление. Поэтому при подключении источника тока к нагрузке, тепло будет выделяться как в нагрузке, так и внутри источника тока (на его внутреннем сопротивлении). На какой нагрузке, подключенной к данному источнику тока, будет выделяться максимальная мощность?

 Рассмотрим схему, изображенную на рисунке 1.

Рис.1.

Сила тока, текущего в контуре, определяется из закона Ома для полной цепи:

, (1)

где e - ЭДС источника тока,

r – внутреннее сопротивление источника,

R – сопротивление нагрузки.

Напряжение U на нагрузке R будет равно:

, (2)

а мощность P, выделяемая на сопротивлении R, будет равна:

 (3)

Как видно из формулы (3), выделяемая на нагрузке R мощность будет мала, если сопротивление R нагрузки будет мало (R ). Мощность также будет мала при очень большом сопротивлении нагрузки (R r). Расчет показывает, что максимальная мощность будет выделяться на нагрузке при равенстве внутреннего сопротивления r и сопротивления нагрузки R = r. В этом случае: