Лабораторный практикум для 11 класса

Снятие вольтамперной характеристики
лампы накаливания и резистора
Цель работы: изучить работу лампы накаливания, узнать, как зависит сила тока в
ней от приложенного напряжения. Выяснить, как зависит сила тока в резисторе от
приложенного напряжения. Построить графики этих зависимостей.
Оборудование: электрическая лампа на подставке (на 12 В), реостат на 15 Ом,
вольтметр, миллиамперметр на 50 мА, источник тока на 8 - 10 В, магазин
сопротивлений на 100 Ом, выключатель, соединительные провода.
Порядок выполнения работы.
Задание № 1. Получение вольтамперной характеристики лампы накаливания.
1. Соберите электрическую цепь по схеме
V
+
мА
10 В
2. Приготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и
вычислений
U, В
I, мА
R, Ом
0
0,5
1
1,5
2
3
4
5
6
3. Увеличивайте плавно напряжение на лампе от 0 до 2 В с шагом 0,5 В и от 2 до
6 В с шагом 1 В.
4. Занесите показания приборов в таблицу и постройте график вольтамперной
характеристики лампы. Объясните, почему она имеет такой вид.
5. Определите сопротивление нити накала лампы при разных значениях силы
тока и напряжения. Результаты занесите в таблицу.
6. Проанализируйте полученные значения сопротивления нити накала лампы.
Задание № 2. Получение вольтамперной характеристики резистора.
1. Замените в электрической цепи лампу магазином сопротивлений на 100 Ом.
2. Приготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений
U, В
6I1, мА
I2, мА
0
1
2
3
4
5
3. Увеличивайте напряжение на резисторе от 0 до 6 В через 1 В. Фиксируйте
показания приборов и заносите их в таблицу.
4. Замените резистор в электрической цепи другим (на 50 Ом) и снова снимите
показания. Результаты опытов занесите в таблицу.
5. В одной системе координат начертите вольтамперные характеристики обоих
резисторов. Чем отличаются вольтамперные характеристики лампы
накаливания и резисторов?
6. Напишите уравнение I  f (U ) полученных вольтамперных характеристик
резисторов. Что в них общего? Чем они отличаются?
Контрольные вопросы.
1. Что показывает вольтамперная характеристика?
2. От чего зависит угол наклона вольтамперной характеристики резистора к оси
напряжения?
3. Как читается закон Ома для участка цепи? Как он записывается?
4. Почему лампа накаливания так называется?
Изучение зависимости сопротивления полупроводников
и металлов от температуры.
Цель: выяснить, как зависит сопротивление полупроводникового диода и медной
проволоки от температуры. Определить термический коэффициент сопротивления
меди.
Оборудование: термистор, омметр, термометр, плитка электрическая лабораторная,
стакан металлический, штатив с муфтой и лапкой, провода соединительные, прибор
для определения термического коэффициента сопротивления меди.
Выполнение работы
Задание 1. Снятие температурной характеристики термистора.
Термистор ММТ-1, с которым выполняют данную работу, состоит из
спрессованной и термически обработанной смеси порошкообразных окислов
металлов. Он имеет форму цилиндрического стержня длиной 12 мм и диаметром
2 мм. На концы стержня надеты металлические колпачки с выводами, а боковая
поверхность покрыта слоем эмалевой краски. Выводы термистора припаяны к двум
медным проволокам, концы проволок подведены к двум винтовым зажимам,
укрепленным на пластмассовой панели. В середине панели сделано отверстие, в
которое вставлена картонная трубка. На верхний конец трубки надето резиновое
кольцо, а на кольцо – стеклянная пробирка.
В этой работе надо измерить сопротивление термистора при различных
температурах и построить график зависимости его сопротивления от температуры.
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений.
t,˚С
10
20
30
40
50
60
70
R, Ом
2. Соберите установку. Панель термистора укрепите в лапке штатива, а
пробирку с термистором погрузите в стакан с холодной водой,
установленный на электрической плитке. Погрузите в воду термометр, а к
зажимам термистора подключите омметр.
3. Измерьте начальную температуру термистора (она равна температуре воды
в стакане) и начальное сопротивление термистора.
4. Включите электрическую плитку и нагревайте воду. Измеряйте
сопротивление термистора при температурах 10˚С, 20˚С, 30 и т.д..
Результаты измерений занесите в таблицу.
5. По данным таблицы постройте график зависимости сопротивления
термистора от температуры. По оси абсцисс отложите температуру в ˚С, а по
оси ординат – сопротивление в Ом.
Контрольные вопросы.
1. Как зависит сопротивление термистора от температуры?
2. Во сколько раз изменилось сопротивление термистора при его нагревании
до 70˚С?
3. Одинаково ли изменяется сопротивление термистора в различных
интервалах температур?
4. Быстро или медленно надо нагревать воду в стакане, чтобы получить более
точный график зависимости сопротивления термистора от температуры?
5. Как, пользуясь термистором, омметром и полученным графиком, измерить
неизвестную температуру воды в стакане? Проделайте опыт и результат его
проверьте термометром.
Задание 2. Определение термического коэффициента сопротивления меди.
Применяемый в работе прибор для определения термического коэффициента
сопротивления меди состоит из катушки, намотанной медным изолированным
проводом на картонный каркас. Концы катушки выведены к зажимам,
установленным на пластмассовой колодке. В этой же колодке закреплена
стеклянная пробирка со вставленным в нее каркасом с катушкой.
1. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и
вычислений.
№ опыта
t, ˚С
R, ом
α, град-1
1
2
2. Налейте в стакан горячей воды (осталась от 1 задания). Соберите установку.
Закрепите прибор в лапке штатива и погрузите пробирку с катушкой в
стакан так, чтобы катушка находилась ниже поверхности воды.
3. Подключите омметр к зажимам катушки.
4. Измерьте температуру воды и сопротивление катушки. Результаты
запишите в таблицу.
5. Горячую воду в стакане замените холодной и вновь погрузите пробирку с
катушкой в стакан. Поместите термометр в воду и наблюдайте за
изменением температуры. Когда она установится, измерьте авометром
сопротивление катушки. Результаты занесите в таблицу.
6. Используя результаты двух опытов, вычислите значение термического
коэффициента сопротивления меди по формуле  
R1  R2
.
R2 (t1  t 2 )
Контрольные вопросы.
1. Как зависит сопротивление металла от температуры?
2. Как эту зависимость можно представить графически?
3. Что показывает температурный коэффициент сопротивления металла?
Изучение резонанса в электрическом колебательном контуре
с помощью высокочастотного генератора
Цель работы: проследить изменение напряжения в колебательном контуре вблизи
резонанса и при резонансе в зависимости от частоты генератора и параметров
контура. Построить график резонансной кривой.
Оборудование: колебательный контур, генератор высокочастотных колебаний, блок
питания, диод, вольтметр лабораторный, провода соединительные
Содержание и метод выполнения работы.
Р2
C2
К
С1
Г
L2 L1
Рисунок 1
Если собрать установку, состоящую из генератора высокочастотных колебаний
Г и колебательного контура К (рис. 1), то при индуктивной связи между катушками
в контуре возникают вынужденные колебания. Наличие колебаний в контуре можно
зафиксировать гальванометром. Если частота колебаний генератора ν значительно
отличается от собственной частоты колебаний контура ν0, то показания
гальванометра будут незначительными. По мере приближения частоты генератора ν
к частоте собственных колебаний контура ν0 показания гальванометра возрастают.
При равенстве частот гальванометр покажет наибольшее значение.
Для построения резонансной кривой используют установку, состоящую из
колебательного контура К, к которому подключен вольтметр, генератора
высокочастотных колебаний Г и блока питания БП (рис. 2).
Частоту генератора можно менять ручкой Р1 от 0,7 МГц до 1,4 МГц.
Колебательный контур К на лицевой панели имеет схему. С помощью ручки Р 2
можно менять емкость конденсатора, а следовательно, и частоту собственных
колебаний контура. Около ручки нанесена шкала емкостей от 50 пФ до 550 пФ.
Катушка колебательного контура может выдвигаться с помощью рычага Р.
Порядок выполнения работы.
1. Соберите установку по рисунку 3. В качестве
гальванометра используйте лабораторный вольтметр с
диодом. При подключении вилки генератора к
напряжению 250 В блока питания соблюдайте полярность.
Рисунок 3
Расположите колебательный контур вплотную с генератором высокочастотных
колебаний. Покажите установку учителю.
После включения блока питания и прогрева лампы генератора стрелка вольтметра
отклоняется. Проследите изменение показания прибора при вращении ручек
генератора и колебательного контура.
2. Подготовьте в тетради две таблицы для записи результатов измерений
ν = 1 МГц
С, пФ
U, В
50
100
150
200
250
300
400
500
С = 200 пФ ν, МГц
U, В
0,7
0,8
0,9
1
1,1
1,2
1,3
1,4
3. Установите по шкале генератора частоту 1 МГц. Изменяя емкость конденсатора
колебательного контура, определите показания вольтметра при значениях емкости
50, 100, …, 500 пФ. Результаты измерений внесите в таблицу 1.
4. Установите по шкале колебательного контура емкость 200 пФ. Изменяя частоту
генератора, определите показания вольтметра при частотах 0,7; 0,8; …; 1,4 МГц.
Результаты измерений занесите в таблицу 2.
5. По данным таблиц 1 и 2 постройте графики зависимости показаний вольтметра U
от емкости С и частоты ν.
Контрольные вопросы.
1. Каково назначение диода в установке, собранной по рисунку 3?
2. Как изменится форма резонансной кривой, если в колебательный контур
включить резистор?
3. Где применяется электрический резонанс?
4. Можно ли добиться резонанса, применяя данный в работе генератор
высокочастотных колебаний и колебательный контур с параметрами
а) С = 400 пФ; L = 10-2 Гн
б) С = 1000 пФ; L = 4·10-5 Гн? (Для ответа на этот вопрос нужно решить
задачу)
Изучение явления фотоэффекта
Цель работы: исследовать зависимость тока фотоэлемента от поверхностной
плотности потока излучения и построить график этой зависимости.
Оборудование: прибор для изучения явления фотоэффекта, микроамперметр,
источник тока, реостат лабораторный, электрическая низковольтная лампа на
подставке, выключатель, провода соединительные.
Содержание и метод выполнения работы.
В данной работе применяется селеновый фотоэлемент
(рис. 1). Он состоит из железной пластинки круглой формы 1,
покрытой слоем селена 2, на который нанесен тонкий
полупрозрачный слой золота 3. От железной пластинки и пленки
золота (на нее положено контактное кольцо 4) сделаны отводы с
зажимом, с помощью которых фотоэлемент включают в
электрическую цепь. В результате специальной обработки часть
атомов золота проникает в селен, обладающий дырочной
проводимостью, и образует в нем слой с электронной проводимостью. Рис. 1
На границе двух слоев с различным видом проводимости создается электроннодырочный переход. При освещении фотоэлемента в селене образуются свободные
носители заряда, которые под действием электрического поля электроннодырочного перехода разделяются: электроны накапливаются в электронном
полупроводнике, а дырки – в дырочном. В результате на зажимах фотоэлемента
возникает фотоэлектродвижущая сила. Если фотоэлемент подключить к
гальванометру и осветить, то в цепи возникает фототок, величина которого зависит
от освещенности.
Прибор (рис. 2), с
которым выполняют данную
работу, представляет собой
горизонтально
расположенную
пластмассовую
трубу
1,
закрытую
с
торцов
и
укрепленную
на
двух
подставках. В левой части
трубы находится селеновый
фотоэлемент, который соединен
Рисунок 2
гибкими проводами с двумя зажимами 2, установленными на торцевой части трубы.
При помощи рукоятки 3 фотоэлемент можно поворачивать вокруг горизонтальной
оси на 90˚. Ось вращения проходит по диаметру активной поверхности
фотоэлемента. Угол поворота определяют по шкале угломера, укрепленного на
поверхности корпуса прибора.
Средняя часть трубы раскрывается на две половины. Закрытые половины
образуют внизу щель, расположенную вдоль трубы. Щель закрыта клапаном из
черной материи.
В нижней части откидной крышки трубы укреплена шкала 4 с делениями от 0
до 30 см, причем нулевое деление шкалы совпадает с плоскостью чувствительного
слоя фотоэлемента.
Труба прибора внутри имеет несколько защитных ребер и черную матовую
окраску. Ребра предохраняют фотоэлемент от отраженных лучей, а черная окраска –
от световых бликов. К прибору прилагается микроамперметр 5 и стойка с
лампочкой 6.
Поверхностную плотность потока излучения на фотоэлементе Е вычисляют по
формуле E 
Ф
, где Ф – полный поток энергии излучения источника света (его
4R 2
приближенно принимают равным мощности электрической лампы = 1 Вт),
R – расстояние между лампой и фотоэлементом, выраженное в метрах.
Порядок выполнения работы.
1. Ознакомьтесь с устройством прибора.
2. Подготовьте в тетради таблицу для записи результатов измерений и
вычислений.
R, м
Е, Вт/м2
I, мкА
3. Расположите фотоэлемент прибора перпендикулярно к оси трубы и соедините
его зажимы с микроамперметром.
4. Присоедините к источнику тока последовательно выключатель, реостат и
электрическую лампу, установите ее внутри прибора на расстоянии 10 см от
фотоэлемента, реостатом подберите такой накал нити, чтобы стрелка
микроамперметра отклонялась на большее число делений.
5. Увеличивайте расстояние между лампой и фотоэлементом и через каждые 2
см измеряйте силу тока. Результат измерений запишите в таблицу.
6. Для каждого случая рассчитайте поверхностную плотность потока излучения
на фотоэлементе. Результаты вычислений запишите в таблицу.
7. По числовым данным таблицы постройте график зависимости силы фототока
от поверхностной плотности потока излучения. По оси абсцисс отложите
поверхностную плотность потока излучения в Вт/м2, а по оси ординат – силу
фототока в мкА.
Контрольные вопросы.
1. Как зависит сила фототока от поверхностной плотности потока излучения?
2. Как следует изменить расстояние от лампы до фотоэлемента, чтобы сила
фототока увеличилась в 2 раза?
3. Почему во время выполнения опыта нельзя изменять положение
фотоэлемента и накал нити лампы?
4. Зачем внутри прибора сделаны защитные ребра и почему он внутри окрашен
черной матовой краской?
5. Сформулируйте законы фотоэффекта.
6. Где применяется явление фотоэффекта?
Определение фокусного расстояния
собирающей и рассеивающей линз
Цель работы: определить фокусное расстояние и оптическую силу собирающей
линзы. Определить фокусное расстояние рассеивающей линзы.
Оборудование: лента измерительная, источник тока, лампочка на подставке,
выключатель, провода соединительные, экран белый, линза двояковыпуклая, линза
двояковогнутая, рейка направляющая, два прямоугольных треугольника, колпачок
на лампу.
Порядок выполнения работы.
Задание № 1. Определение оптической силы и фокусного расстояния
собирающей линзы.
Простейший способ измерения оптической силы и фокусного расстояния
1
d
линзы основан на использовании формулы тонкой линзы D  
1
1 1 1
или   ,
f
F d f
где d – расстояние от предмета до линзы, а f – расстояние от линзы до изображения.
В качестве предмета используется светящаяся буква в колпачке осветителя.
Действительное изображение этой буквы получают на экране.
1. Соберите электрическую цепь, подключив лампочку к источнику тока через
выключатель.
2. Поставьте лампочку на край стола, а экран - у другого его края. Между ними
поместите линзу, включите лампочку и передвигайте линзу вдоль рейки, пока
на экране не будет получено резкое изображение светящейся буквы.
3. Измерьте расстояния d и f, результаты измерений занесите в таблицу.
f, м
d, м
F, м
D, дптр
4. Абсолютную погрешность ∆D измерения оптической силы линзы можно
вычислить по формуле D 
1  2
, где ∆1 и ∆2 – абсолютные погрешности в

d2 f 2
измерении d и f. При определении ∆1 и ∆2 следует иметь в виду, что измерение
расстояний d и f не может быть проведено с погрешностью, меньшей половины
h
2
толщины линзы h. Отсюда 1  , погрешность измерения f будет больше из-за
неточности настройки на резкость примерно еще на
h
h h
. Поэтому  2    h
2
2 2
5. Измерьте толщину линзы h (см. рисунок) и вычислите ∆D по формуле
D 
h
h
 2.
2
2d
f
6. Запишите результат в форме
Dвыч  D  D  Dвыч  D
Задание № 2. Определение фокусного расстояния рассеивающей линзы.
1. Расставьте вдоль направляющей рейки по порядку слева направо: экран,
собирающую линзу и лампочку. Включите ток и разместите приборы так,
чтобы на экране образовалось резкое изображение нити лампочки.
2. Попытайтесь то же сделать с рассеивающей линзой. Получить изображение
на экране вам не удастся, так как рассеивающая линза дает только мнимые
изображения, которые можно видеть непосредственно, но нельзя получить их
на экране. Где надо поместить глаз, чтобы увидеть мнимое изображение
лампочки? Проверьте это на опыте.
3. Поставьте рассеивающую линзу между лампочкой и экраном так, чтобы на
экране получилось круглое светлое пятно. Поставьте между рассеивающей
линзой и экраном собирающую линзу и найдите для нее такое место, чтобы
на экране получилось изображение лампочки.
4. Начертите схему установки с пучками лучей, падающих от лампочки на
рассеивающую линзу, покажите на схеме их дальнейший ход. Покажите на
этой же схеме мнимое изображение лампочки в рассеивающей линзе.
5. Уберите рассеивающую линзу и, не сдвигая собирающей линзы, передвиньте
лампочку так, чтобы на экране вновь возникло ее изображение.
6. Рассмотрите начерченную схему и сделайте заключение, какие два измерения
надо выполнить, чтобы вычислить фокусное расстояние рассеивающей линзы
по формуле
1 1 1
  .
F d f
7. Повторите сборку оптической системы, сделайте нужные измерения и
вычислите фокусное расстояние рассеивающей линзы. Не забудьте, что надо
все расстояния от мнимых точек брать со знаком «-». Искомое фокусное
расстояние рассеивающей линзы при этом должно получиться
отрицательным.
8. Считая, что все измерения выполнены с точностью до 0,25 см, найдите
относительную и абсолютную погрешности результата

F f d
;


F
f
d
F  F  
9. Ответ запишите в виде F  Fизм  F ;
ε = …%
Контрольные вопросы.
1. Чем отличается изображение предмета в собирающей и в рассеивающей
линзах?
2. Постройте изображение предмета в собирающей и рассеивающей линзах.
3. Где применяются собирающие и рассеивающие линзы?
Изучение колебаний груза на пружине.
Оборудование: набор грузов по 100 г, две пружины одинаковой жесткости, линейка
измерительная, 2 штатива с муфтами и лапкой, секундомер.
Указания к работе.
1. Определение жесткости пружины.
Когда груз находится в равновесии, сила тяжести, действующая на него, равна силе
упругости, возникающей в пружине. Силу упругости можно вычислить по закону Гука.
Сделайте рисунок, укажите действующие силы и получите формулу для вычисления
жесткости пружины.
Закрепить в лапке штатива линейку, подвесить пружину к держателю, укрепить на
пружине груз известной массы, измерить удлинение пружины и вычислить её
жесткость.
2. Определение периода колебаний груза на пружине.
Измерить время 10 колебаний и вычислить период колебаний груза по формуле
T
t
.
N
Вычислить период колебаний груза на пружине по формуле T  m k
Сравнить значение периода колебаний, полученное теоретически и на опыте,
сделать вывод.
3. Определение периода колебаний груза на двух пружинах, соединенных
последовательно.
Получить формулу для расчета периода колебаний груза на двух пружинах,
соединенных последовательно. При последовательном соединении пружин жесткость
k
2
системы k c  .
Вычислить период колебаний груза (масса груза должна быть такой же, как в опыте
2) по полученной формуле.
Измерить время 10 колебаний и вычислить период колебаний груза по формуле
T
t
.
N
Сравнить значение периода колебаний, полученное теоретически и на опыте,
сделать вывод.
Сравнить данные, полученные в опыте 2 и в опыте 3, сделать вывод.
4. Определение периода колебаний груза на двух пружинах, соединенных
параллельно.
Получить формулу для расчета периода колебаний груза на двух пружинах,
соединенных параллельно. При параллельном соединении пружин жесткость системы
k c  2k
Вычислить период колебаний груза (масса груза должна быть такой же, как в опыте
2) по полученной формуле.
Измерить время 10 колебаний и вычислить период колебаний груза по формуле
T
t
.
N
Сравнить значение периода колебаний, полученное теоретически и на опыте,
сделать вывод.
Сравнить данные, полученные в опыте 2 и в опыте 4, сделать вывод.
Контрольные вопросы:
1. Какие колебания называются гармоническими? Можно ли колебания груза на
пружине считать гармоническими?
2. От каких величин зависит период колебаний груза на пружине? Как?
3. Где применяются колебания груза на пружине?
ПРИМЕЧАНИЕ: форма оформления отчета о лабораторной работе свободная.