УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ - Учебно

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Ишимский государственный педагогический институт имени П.П.Ершова»
Кафедра ТиМПФТиП
Утверждаю
Проректор по учебной работе и
лицензированию
_____________С.А. Вдовина
(подпись, расшифровка подписи)
“27” января 2011 г
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Термоэлектричество»
050100 – Педагогическое образование
(код и наименование направления подготовки)
Профиль подготовки
Физическое образование
(наименование профиля подготовки)
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Ишим 2011.
Рецензенткандидат педагогических наук, доцент Ермакова Е.В.
Рабочая программа дисциплины «Термоэлектричество» //сост.Н.С. Журавлева – Ишим:
ФГБОУ ВПО «ИГПИ», 2011. - 17 с.
Рабочая программа предназначена для преподавания дисциплинывариативной части
профессионального цикла, дисциплины по выборустудентам очной формы обучения по
направлению подготовки «050100 - Педагогическое образование», профиль подготовки –
«Физическое образование»в шестом семестре.
Рабочая программа составлена с учетом Федерального государственного образовательного
стандарта высшего профессионального образования по направлению подготовки «050100 Педагогическое образование», профиль подготовки – «Физическое образование», утвержденного
приказом Министерства образования и науки Российской Федерации от «22» декабря 2009 г.
№788.
.
Составитель ____________________ Н.С. Журавлева
(подпись)
2011 г
Содержание
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Цели и задачи освоения дисциплины
Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Требования к результатам освоения содержания дисциплины
Содержание и структура дисциплины
4.1. Содержание разделов дисциплины
4.2. Структура дисциплины
4.3. Лабораторные работы
4.4. Практические занятия (семинары)
4.5. Курсовая работа
4.6. Самостоятельное изучение разделов дисциплин
Образовательные технологии
5.1. Интерактивные образовательные технологии
Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации
6.1. Формы оценочных средств
6.2. Вопросы для промежуточной аттестации
Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература
7.2. Дополнительная литература
7.3. Периодические издания
7.4. Интернет ресурсы
7.5. Методические указания и материалы по видам занятий
7.6. Программное обеспечение современных информационно-коммуникационных
технологий
Материально-техническое обеспечение дисциплины
Лист согласования рабочей программы
4
4
4
5
5
5
6
6
6
7
7
7
7
7
8
9
9
9
9
9
9
16
16
17
3
Семестр:шестой
Трудоемкость по ФГОС:2 зач.ед., 72 часа.
1 Цели и задачи освоения дисциплины
Цель освоения дисциплины «Термоэлектричество» является формирование у будущего
преподавателя физики научного мировоззрения, знания основных физических теорий и умения
пользоваться теоретическими методами, добиваясь при этом усвоения студентами общей
структуры физической науки на примере термоэлектричества.
Задачи освоения дисциплины:
- ознакомление с основными направлениями развития электродинамики;
- овладение понятийным аппаратом (экспериментальными фактами, понятиями, законами);
- развитие мышления и формирование умений самостоятельно приобретать и применять
знания, наблюдать и объяснять физические явления;
- формирование познавательного интереса к физике и технике, развитие творческих
способностей;
- раскрытие взаимосвязи физики и техники, показ ее применения в производстве и
человеческой деятельности;
- привитие умения самостоятельно пополнять свои знания, ориентироваться в научно–
информационном потоке.
2 Место дисциплины в структуре ООП ВПО
Дисциплина «Термоэлектричество» относится к вариативной части профессионального
цикла, дисциплины по выбору(Б.3.ДВ.9).
3 Требования к результатам освоения содержания дисциплины
Студент в процессе освоения содержания дисциплины должен овладеть следующими
компетенциями:
- способен использовать знания о современной естественнонаучной картине мира в
образовательной и профессиональной деятельности, применять методы математической
обработки информации, теоретического и экспериментального исследования (ОК-4);
- готов использовать основные методы, способы и средства получения, хранения,
переработки информации, готов работать с компьютером как средством управления информацией
(ОК-8).
В результате изучение дисциплины студент должен:
знать:
- сущность термоэлектрического явления;
- определения основных понятий теории термоэлектричества;
- основные законы термоэлектрической теории.
уметь:
- решать задачи с соответствующим анализом результатов и полученных выводов;
- оценивать результаты эксперимента, готовить отчетные материалы о проведенной
исследовательской работе;
- объяснить физическую сущность термоэлектрических процессов.
владеть:
- системой знаний о фундаментальных термоэлектрических законах, физической сущности
термоэлектрического явления;
- системой знаний по организации и постановке физического эксперимента, обладает
способностью теоретического анализа результатов наблюдений и экспериментов;
знанием
принципиальных
схем
проведения
конкретных
экспериментов,
экспериментальных устройств и установок, компьютерной обработки результатов измерений.
приобрести опыт:
- осуществления экспериментальных исследований по термоэлектричеству.
4 Содержание и структура дисциплины
4
4.1 Содержание разделов дисциплины
№
раздела
1
1
2
Наименование раздела
Содержание раздела
2
1.
История
развития
термоэлектричества
2.
Термоэлектрические
явления
1.
2.
3.
4.
5.
6.
3
Термоэлектрические
приборы в физической
лаборатории
Таблица 1
Форма текущего
контроля
4
1.
2.
3.
4.
4.2. Структуру дисциплины
3
Открытие и исследование
термоэлектрических явлений.
Второе рождение
термоэлектричества.
Эффект Зеебека
Эффект Пельтье и Томсона
Термоэлектрогенератор.
Контрольная
Физические основы
работа
термоэлектрического охлаждения.
Реферат
Термоэлектрические материалы
Термоэлектрические явления в
анизотропных средах
Термопара
Термобатарея
Защита
Термоэлектрические
экспериментальных
преобразователи и измерительные
работ
приборы
Термоэлектрический холодильник
Таблица 2
Вид работы
Общая трудоемкость
Аудиторная работа:
Лекции (Л)
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа:
Курсовой проект (КП), курсовая
работа (КР)1
Расчетно-графическое задание
(РГЗ)
Реферат (Р)
Самостоятельное изучение
разделов
Контрольная работа (К)2
Самоподготовка (проработка и
повторение лекционного
материала и материала учебников
и учебных пособий, подготовка к
лабораторным и практическим
занятиям, коллоквиумам,
рубежному контролю и т.д.)
1
2
1
2
3
Трудоемкость, часов
6
4
5
7
сем
8
Всего
72
32
16
16
72
32
16
16
40
40
15
15
6
6
19
19
На курсовой проект (работу) выделяется не менее одной зачетной единицы трудоемкости (36 часов)
Только для заочной формы обучения
5
Подготовка и сдача экзамена3
Вид итогового контроля
З
Таблица 3.1
Разделы дисциплины, изучаемые в 6 семестре
Количество часов
Аудиторная
работа
Внеауд.работа
№раздела
Наименование разделов
Всего
СР
Л
ПЗ
ЛР
1
История развития термоэлектричества
4
2
2
2
Термоэлектрические явления
27
14
13
Термоэлектрические
приборы
в
3
41
16
25
физической лаборатории
Итого:
72
16
16
40
Всего:
72
4.3 Лабораторные работы
Лабораторные работы не предусмотрены
4.4. Практические занятия (семинары)
Таблица 4
Трудоемкость
№
Номер
из них
Тема занятия
Вопросы, выносимые на семинар
п/п раздела
Всего
на базе
ОУ
1. Строение термопары и ее
характеристики.
Термопара
2. Изготовление термопары.
1
3
8
3. Измерение температуры
термоэлектрическим методом
2
3
Термобатарея
3
3
Тангенсгальванометр как
измерительный
прибор
4
3
Термоэлектрический
преобразователь
1. Строение термобатареи.
2. Исследование законов
постоянного тока для
термобатареи
Исследование
возможности
термоэлектрического
тангенсгальванометрадля
измерения
индукции магнитного поля Земли
и температуры.
Исследование характеристик
переменного тока с помощью
термоэлектрического
преобразователя
Всего
8
9
10
41
4.5 Курсовая работа
Не предусмотрена
4.6 Самостоятельное изучение разделов дисциплины
Таблица 5
Номер
раздела
4
3
Вопросы, выносимые на самостоятельное изучение
Нуль-термостат
Микрокалориметры
Форма
контроля
Трудоемкость
Собеседование
6
При наличии экзамена по дисциплине
6
Термозонд
Термопара как тепловая машина
6
Всего
5 Образовательные технологии
При изучении дисциплины «Термоэлектричество» используются технологии обучения:
- технология деятельностного подхода
- технология проблемного обучения
- технология дифференцированного обучения
5.1 Интерактивные образовательные технологии
Таблица 6
Вид
Кол-во
Семестр
Используемые интерактивные образовательные технологии
занятия
часов
6
практика Дискуссия
2
Составление рабочего портфолио по экспериментальным
практика
6
исследованиям
Всего
8
Процент от общего количества часов
25
6 Оценочные средства для текущего контроля успеваемости и промежуточной
аттестации
6.1 Формы оценочных средств
Таблица 7
ОК-4, ОК-8
Электродинамика
Количество баллов в рамках БРС оценки
Текущий
контроль
ОК-4, ОК-8
Термоэлектрическое
явление
Количество баллов в рамках БРС оценки
Промежуточ
Термоэлектрические
ная
ОК-4, ОК-8
приборы в физической
аттестация
лаборатории
Количество баллов в рамках БРС оценки
Зачет –
защита
портфолио
Реферат
Контр.
работа
10
+
Входной
контроль
Оцениваемые
компетенции
+
Виды
аттестации
Самост.
работа
Форма оценочных средств
Элементы учебного
материала: раздел/
тема/весь материал**
+
20
40
+
30
Вариант задания входного контроля
Самостоятельная работа
Вариант 1
1. Ответить на вопросы:
- Что такое электрический ток?
- Что принято за направление электрического тока?
- Что такое ЭДС?
- Чем характеризуются источники тока?
2. Решить задачу:
1. Определить внутреннее сопротивление и ЭДС источника тока, если при силе тока 30 А
мощность во внешней цепи равна 180 Вт, а при силе тока 10 А эта мощность равна 100 Вт.
7
Вариант задания текущего контроля
Контрольная работа
Вариант 1
1. Термопара железо - константан сопротивлением R= 15 Ом замкнута на гальванометр. Один
спай термопары находится в сосуде с тающим льдом, второй спай помещен в среду, температура
которой неизвестна. Определите эту температуру, если ток, протекающий через гальванометр,
равен 0,2 мА, внутреннее сопротивление гальванометра R G=150 Ом.
2. Сила тока в цепи, состоящей из термопары сопротивлением R=4 Ом
и
гальванометра
с
R G=80
Ом,
равна
26мкА
при
разности
температур
ΔТ = 50 К. Определить коэффициент термоЭДС термопары.
3.
ТермоЭДС
термопары
при
температурах
холодного
и
горячего
спаев
0
0 и 100 С равна 5 мВ. В этом интервале температур термоЭДС находится в линейной зависимости от
разности температур спаев.
Начертить график зависимости термоэлектродвижущей силы от разности температур спаев.
Определить значение термоЭДС при ΔТ1=00С и ΔТ2=600С?
Вариативный список возможных тем рефератов
1. История открытия и изучения термоэлектричества.
2. Жизнь и деятельность А. Ф. Иоффе.
3. Физические приборы на основе термопар.
4. Полупроводниковые термоэлектрические материалы.
5. Термоэлектрические генераторы: перспективы применения.
6, Термоэлектричество на космических станциях.
7. Полупроводниковые датчики теплового потока.
8. Физическая природа эффекта Пельтье.
9. Термоэлектрические холодильники и их применение в науке.
10. Применение термоэлектрических охладителей и термостатов в технике.
1 1 . П рименение термоэлектрических охладителей в быту.
12. Термоэлектричество в медицине.
13.Физика в романе Гр. Адамова «Тайна двух океанов».
14. Моделирование анизотропии электрических свойств кристаллов с помощью слоистой среды.
15. Способы восстановления работоспособности термоэлемента
Реферат оформляется согласно общих требований, предъявляемых к данному виду работ,
на листах формата А4, с обязательным указанием библиографического списка. Объем реферата не
более 15 страниц.
6.2 Вопросы для промежуточной аттестации
В ходе зачета происходит защита рабочего портфолио, исследований, осуществленных в
ходе практических занятий.
Рабочее портфолио должно содержать результаты всех исследований, их теоретическое и
экспериментальное обоснование, полную обработку экспериментальных данных с расчетом
погрешностей и, при возможности, прогнозированием дальнейших результатов.
7 Учебно-методическое обеспечение дисциплины
7.1. Основная литература
Основная:
1.
Детлаф, А.А. Курс физики / А.А. Детлаф, Б.М. Яворский – М.: Высшая школа, 2010. – 62 экз
62 экз
7.2 Дополнительная литература
Дополнительная:
1.
Грабовский,
Р.И.
Курс
физики/
http://vk.com/doc41508733_260033087
Р.И.
Грабовский
–
С-Пб.:Лань,
2008.
–
Электронный
ресурс
8
2.
2. Трофимова, Т.И. Курс физики / Трофимова Т.И. – М.: Высшая школа,2000 – 12 экз.
Гершензон, Е.М. Электродинамика / Гершензон Е.М..–М.: Академия,2002 – 15 экз.
Трофимова, Т.И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Академия, 2006. – 19 экз.
12 экз
15 экз.
.
19 экз..
7.3 Периодические издания
Периодические издания представлены в интернет - ресурсах
7.4 Интернет-ресурсы
1. Электронно-библиотечная система elibraryhttp://elibrary.ru
2. Универсальная справочно-информационная полнотекстовая база данных “East View”
ООО «ИВИС» http://www.eastview.com/
3. Электронный справочник «Информио»http://www.informio.ru/
4. Электронно-библиотечная система "Университетская библиотека
онлайн"http://www.biblioclub.ru
5. ВикипедиЯ – свободная энциклопедия – Термоэлектричество - http://ru.wikipedia.org
6. Энциклопедия Кругосвет – Термоэлектричество - http://www.krugosvet.ru
7. Термоэлектричество металлов и полупроводников - http://sensorse.com
8. Журнал «Физика» - www. fiz.1september.ru
7.5 Методические указания и материалы по видам занятий
(или ссылка на учебно-методическое пособие по дисциплине).
Методические рекомендации преподавателю:
Для освоения дисциплины «Термоэлектричество» используются знания, умения и виды
деятельности, сформированные в процессе изучения дисциплин «Электричество и магнетизм»,
«Оптика и ядерная физика», «Теоретическая физика». Знания, умения и личностные качества
будущего специалиста, формируемые в процессе изучения дисциплины, будут использоваться в
дальнейшем при прохождении педагогических практик в учебных учреждениях и дальнейшей
профессиональной деятельности.
Методические рекомендации студентам:
Студенту следует помнить, что дисциплина«Термоэлектричество» предусматривает
обязательное посещение студентом лекций и практических занятий. Она реализуется через
систему аудиторных и домашнихработ, систему рефератов и экспериментальных
работ.Самостоятельная работа студентов заключается в самостоятельных подготовках к
практическим занятиям, ввыполнении домашних заданий, в написании рефератов и обработке
экспериментальных исследований. Контроль над самостоятельной работой студентов и проверка
их знаний проводится в виде выступлений с докладами, решение задач, при индивидуальной
беседе, защите рефератов и результатов экспериментальных исследований.
При подготовке к практическим занятиям рекомендуется пользоваться следующими
планами
Термопара
Цель: изготовление термопары и работа с ней.
Задание 1. Изготовить дифференциальную термопару медь-константан, опираясь на
следующий метод:
Термопары входят в состав обязательного набора школьного лабораторного оборудования.
Однако конструктивные особенности и геометрические размеры демонстрационной термопары
затрудняют их использование для измерения температуры в ряде работ лабораторного
практикума. В связи с этим часто возникает необходимость самостоятельного изготовления термопары с учетом специфики ее применения. Технология изготовления термопар достаточно
проста и легко реализуема. В качестве материала ветвей термопар можно взять, например, пару
доступных для любого кабинета физики проводников: медь и константан.
9
С целью обеспечения надежного электрического контакта концы проводов зачищают,
удаляя изоляционный слой, и скручивают. Коммутация ветвей термопары осуществляется
сваркой. Сварка производится с использованием графитового электрода с конусообразным торцом
и выпрямителя В-24. «Плюсовой» выход выпрямителя соединяется с электродом, «минус»
подается на зажим типа «крокодил» со скруткой концов термопарных ветвей. При контакте
константан с заменой выпрямителя В-24
скрутки с графитовым электродом возникает электрическая
Для получения качественного спая в I хр<
1
дуга (ток 8-10 А). Для предотвращения выгорания и окисления
медного провода сварка должна проводиться под флюсом, в
качестве которого используется бура. Продолжительность
сварки зависит от диаметра проводников, она не должна
превышать нескольких секунд. При хорошем качестве сварки
спай имеет вид небольшого шарика.
Для получения качественного спая ветвей термопар
КЛ
железо-константан,
1
Рис. 1
Рис.
хромель-алюмель,хромель-копельместо
сварки
следует
4.1
обернуть несколькими витками тонкого медногопровода.
Сварку ветвей термопар можно также осуществить с помощью схемы, представленной на
рис. 1. Школьный разборный трансформатор 1 (или любой другой с достаточно большой
индуктивностью первичной обмотки) подключают к регулируемому источникупостоянного
напряжения 2(U<100В).
При плавном размыкании ключа 3 между его контактами возникает индукционная дуга,
стабильность горения которой поддерживается ручной регулировкой величины зазора между
контактами. В пламя дуги помещают скрутку концов ветвей термопары 4, при этом сами ветви
должны быть электрически изолированы.
Сварку ветвей термопары можно осуществить и в растворе электролита. Для этого
необходим стакан с раствором поваренной соли (одну - дне чайные ложкиNaCl на 150-200 см3
воды) и двужильный шнур со штепсельной вилкой. К свободному концу одного из проводов
шнура припаивают медную или латунную пластину, которую опускают на дно стакана. Конец
другого провода вместе со скруткой ветвей термопары подсоединяют кзажиму типа «крокодил»,
снабженному изолирующей ручкой. При включении вилки в электросеть скруткой касаются
поверхности раствора. В результате в области касания возникает микродуга, обеспечивающая
сварку.
Оборудование:
выпрямитель
типа
В-24;
константановый и медный проводники; графитовый
(угольный) стержень с проводником; проводник с пинцетом или зажимом типа «крокодил»; бура,
используемая в качестве флюса при сварке.
Задание 2. Отградуировать термопару.
Оборудование: самодельная дифференциальная
термопара медь - кон-етантан; мультиметр; два штатива;
два сосуда с водой; два термометра; элек-фическая
плитка; соединительные провода.
Порядок выполнения задания
Рис. 2
1. Самостоятельно разработать методику градуировки
термопары.
2. Собрать установку, изображенную на рис. 2. По мере нагревания воды в стакане снять
показания термометра и мультиметра. Результаты измерений занесите в таблицу.
3. Проанализируйте полученные данные и сделайте вывод о зависимости термоЭДС от разности
температур(ΔT = Т\ — Тг).
4. По экспериментальным данным постройте график зависимости термоЭДС от разности
температур спаев термопары.
№
Температура воды в
Разность
Показания
Коэффициент термоЭДС
10
стаканах, °С
температур,Δ
Т,К
1-й термометр 2-й термометр
мультиметра,εТ,В
а12мкВ/К
1
2
5. Вычислите коэффициент термоЭДС для каждого измерения по формуле:
𝛼12 =
𝜀Т
Т1 − Т2
6. Рассчитайте среднее значение коэффициента термоЭДС и оцените погрешности измерений.
7. Сделайте выводы по работе.
Контрольные вопросы
1.Какие материалы следует использовать для создания термопары с максимальной
чувствительностью?
2.Как по графику градуировки термопары определить значение коэффициента термоЭДС а12?
3.Как изменится величина термоЭДС при последовательном соединении двух одинаковых
термопар?
4.Укажите возможные причины погрешностей при градуировке термопары.
Термобатарея
Цель: исследовать основные законы постоянного тока для термо-зо к фической цепи.
Задание 1.Разработать конструкцию термобатареи, состоящей из 10-12 термопар.
С целью значительного увеличения сигнала термоЭДС используется термоэлектрическая
батарея. Действие термоэлектрической батареи, представляющей
последовательное соединение термопар, основано, как и в случае
источников тока другой природы, на сложении их ЭДС. В
методической литературе приведено описание ряда самодельных
термобатарей. Одна из них представляет собой последовательное
соединение медных и константановых (никелевых) проводников
диаметром 0,7-1 мм и длиной 120 мм каждая. Провода, соединенные
между собой сваркой, образуют многолучевую звезду с двумя
Рис. 3 свободными концами (рис. 3). Эта конструкция устанавливается на
4.5
диэлектрическое
кольцо с наружным диаметром 120 мм и внутренним 90 мм, которое имеет
канавки шириной 1,5-2 мм для ветвей термопар.
Два аналогичных кольца с канавками выполняют
функцию оснований батареи. Свободные концы
подключаются
к
клеммам
гальванометра
демонстрационного вольтметра.
Задание 2.Изготовить две одинаковые
термобатареи.
Оборудование:
выпрямитель
типа
В-24;
константановый и медный проводники;; графитовый
(угольный) стержень; пинцет или зажим типа
«крокодил»;. бура, используемая в качестве флюса при
сварке; соединительные провода.
Задание 3.Проверить правила суперпозиции
Рис. 4
термоЭДС при последовательном и параллельном
соединении термобатарей.
Оборудование:самодельные термобатареи (2 шт.); мультиметр; сосуд с водой; лабораторная
электроплитка; штативы; соединительные провода.
11
Порядок выполнения задания
1. Измерьте сопротивление термобатарей с помощью мультиметра.
2. Рассчитайте сопротивление цепей при последовательном и параллельном соединении
термобатарей.
3. Проведите экспериментальную проверку расчетов.
4. Создайте перепад температур между холодными и горячими спаями термобатарей и измерьте
их термоЭДС (рис. 4)
5. Рассчитайте термоЭДС термобатарей при их последовательном и параллельном соединении.
6. Проведите экспериментальную проверку расчетов термоЭДС.
7. Оцените погрешность измерений.
8. Сделайте выводы по заданию.
Задание 4.Исследовать зависимости полезной мощности и КПД от величины
сопротивления нагрузки при последовательном соединении термобатарей.
Оборудование: самодельные термобатареи (2 шт.); реостат (на 5 А) или магазин
сопротивлений типа Р-33; мультиметр; сосуд с водой; лабораторная электроплитка; штативы;
однополюсный выключатель; соединительные провода.
Порядок выполнения задания
1. На экспериментальной установке создайтеперепад температур между холодными и горячими
спаями термобатарей.
2. Соберите электрическую цепь, изображенную на рис. 5.
3. Установив минимальное сопротивление нагрузки, измерьте его
величину. Замкнув цепь, измерьте падение напряжения на нагрузке.
Результаты измерений занесите в таблицу.
4. Выполните задание п. 3 при различных значениях
сопротивлений нагрузки (8-10 измерений,максимальное значение
сопротивление нагрузки = 30 Ом).
5.Используя закон Ома для полной цепи, выразите мощность,
развиваемую источником тока Р = ε т I,через термоЭДС и значения
Рис. 5
сопротивлений нагрузки и термобатарей.
6.Выразите полезную мощность Рнчерез термоЭДС и значения сопротивлений нагрузки и
термобатарей.
𝑅н
7.Получите расчетную формулу КПД источника тока:𝜂 = 𝑅 +𝑟
н
8. Рассчитайте полезную мощность и КПД термоэлектрической цепи. Результаты расчетов
занесите в таблицу.
9. По данным таблицы постройте графики зависимостей полезной мощности и КПД от
величины сопротивления нагрузки
№
I,мА
U,мВ
Rн, Ом Pн, мВт
η
1
2
3
10.Проанализируйте графики и определите по ним внутреннее сопротивление термобатарей.
11. Сделайте выводы по заданию.
Контрольные вопросы
1.В чем заключается правило суперпозиции термоЭДС?
2.Как рассчитывается ЭДС цепи при последовательном и параллельном соединении
источников?
3.Приведите выражения закона Ома для полной цепи при последовательном и параллельном
соединении источников.
4.При каком соотношении сопротивлений источника и нагрузки полезная мощность будет
максимальна? Чему при этом равен КПД источника тока?
12
Тангенс-гальванометр как измерительный прибор
Цель:исследовать возможности термоэлектрического тангенсгальванометра для измерения
индукции магнитного поля Земли и температуры.
Оборудование: самодельный термоэлектрический тангенс-гальванометр; компас; штатив;
два сосуда с водой; два термометра; электрическая плитка; выключатель двухполюсный;
соединительные провода.
Описание установки и краткая теория метода измерений
Лабораторный тангенс-гальванометр - это прибор, предназначенный для определения
горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли. Он представляет собой катушку
большого диаметра, подключаемую к источнику тока. В центре катушки находится компас, на
магнитную стрелку которого действуют магнитные поля Земли и катушки с током.
Термоэлектрический тангенс-гальванометр (ТТГ) является
самодельным аналогом лабораторного прибора, в котором
протекающий по катушке ток имеет термоэлектрическую природу.
ТТГ состоит из дифференциальной термопары медь — константан,
медная ветвь которой выполнена в виде вертикально
расположенной катушки, состоящей из 30-50 витков. Витки
намотаны на пластиковый каркас и закреплены на панели из
оргстекла (рис. 6).
В центре катушки параллельно панели из оргстекла
располагается компас. Катушка ориентируется в плоскости
магнитного меридиана Земли, т. е. в направлении магнитной
Рис. 6
стрелки. При нагреве спая термопары в катушке возникает ток, и
стрелка компаса под действием магнитного поля тока отклоняется
на некоторый угол р. Как видно из рисунка 7:
𝐵1
𝑡𝑔𝛽 =
𝐵0
гдеB 1 - индукция магнитного поля тока, В0- горизонтальная
составляющая индукции магнитного поля Земли. Отсюда
𝐵1
𝐵0 =
𝑡𝑔𝛽
Для индукции магнитного поля В\ в центре катушки имеем:
𝐵1 = 𝜇0
Рис. 7
𝑁𝐼
2𝑟
,
I - ток в катушке, г - радиус катушки, N - число витков, 𝜇0 магнитная постоянная.
Тогда
𝐵0 =
𝐵1
𝑡𝑔𝛽
=𝜇0
𝑁𝐼
2𝑟𝑡𝑔𝛽
Термоэлектрический ток обусловлен наличием в цепи термоЭДС εТ, величинакоторой зависит
от разности температур ΔТна контактах разнородных проводников εТ=α12ΔТ.
𝜀𝑇
Для величины термотока, согласно закону Ома для замкнутой цепи, имеем: 𝐼 = , где R –
𝑅
полное сопротивление цепи.
С учетом этого получаем
𝑁𝛼12 ∆Т
𝐵0 =𝜇0
.
2𝑟𝑅𝑡𝑔𝛽
13
Таким образом, между тангенсом угла отклонения магнитной стрелки от направления В0 и
величиной перепада температур ΔТ существует функциональная зависимость. Следовательно,
ТТГ можно использовать также для измерения разности температур
2𝑟𝐵0
𝑅
𝜇0
12
∆Т = (
) (𝛼 ) 𝑡𝑔𝛽.
𝑁
Задание 1.Построить калибровочный график зависимости тангенса угла отклонения
магнитной стрелки от разности температур ∆Т между спаями ТТГ.
Порядок выполнения задания
1. Соберите установку, изображенную на рис. 5., и установите плоскость катушки в
направлении магнитного меридиана Земли.
2. Один спай ТТГ опустите в нагреваемый на электрической плитке стакан с водой, другой - в
сосуд с тающим льдом.
3. Для проведения калибровки ТТГ воспользуйтесь инструкцией из работы «Термопара»
задания 2.
4. Показания термометров и компаса занесите в таблицу 1 и постройте калибровочный график.
Таблица 1
№
Температура воды (жидкости) в
Разность
Показания
tgβ
стаканах °С
температур,
компаса, β
0
1-й термометр
2-й термометр
∆Т, С
1
2
…
5. Сделайте выводы по заданию.
Задание 2.Определить температуру жидкости по калибровочному графику с
использованием ТТГ.
Порядок выполнения задания
1. Замените в сосуде воду другой жидкостью, например, глицерином.
2. Повторите эксперимент задания 1 без использования термометров, показания компаса занесите
в таблицу 2.
Таблица 2
№
Показания компаса,
tgβ
Разность температур,
Температура
0
β
жидкости
∆Т, С
t,°С
1
2
…
3. Используя калибровочный график, определите несколько температурных точек жидкости,
включая температуру ее кипения.
4. Сделайте выводы по заданию.
Задание 3.Определить горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли.
Порядок выполнения задания
1. Для каждого измерения вычислите горизонтальную составляющую индукции магнитного поля
Земли.
2. Рассчитайте среднее значение В0и оцените погрешность. Сравните вреднее значение В0,
полученное в ходе выполнения работы, со справочными денными.
3. Сделайте выводы по заданию.
Контрольные вопросы
1. В чем заключается принцип работы тангенс-гальванометра?
14
2. Обоснуйте возможность использования термоэлектрического тангенс-гальванометра для
измерения температуры.
Термоэлектрический преобразователь
Цель: исследовать характеристики переменного тока с помощью термоэлектрического
преобразователя.
Оборудование: термокрест; гальванометр; амперметр переменного тока до 5 А; источник
питания В-24; реостат (на 5 А); однополюсный выключатель; соединительные провода.
Термокрест, так же как и термопары, входит в состав школьного лабораторного
оборудования.
Принцип их действия основан на преобразовании тепловой энергии в электрическую. В
результате выделения джоулева тепла при прохождении тока по нагревательному элементу происходит нагрев спая термопары и, соответственно, формирование термотока (термоЭДС). Величина
термотока может быть измерена гальванометром. Поскольку количество тепла, выделяемого в
нагревательном элементе, согласно закону Джоуля - Ленца определяется квадратичной
зависимостью от тока, то работа термоэлектрического
преобразователя не зависит от направления измеряемого тока. Это позволяет использовать прибор
для измерения действующих значений электрических
величин в цепях переменного тока (/, U, Р).
Данное устройство состоит из двух проводников
(железо
и константан) диаметрами 0,40 мм и 0,51 мм,
Рис. 8
расположенных перпендикулярно друг к другу и
спаянных посередине. Таким образом, термокрест представляет собой две идентичные термопары
с общим спаем. Конструкция смонтирована на пластмассовой колодке, имеющей две пары клемм.
К одной из них (клеммы АВ)подключается цепь, содержащая источник постоянного напряжения,
реостат и переключатель, а к другой (клеммыCD)- баллистический демонстрационный
гальванометр (рис. 8).
Порядок выполнения работы
1. Соберите цепь по схеме, изображенной на рис. 9. Обратите внимание, что клеммы АВ
термокреста соединены с источником переменного напряжения.
2. Для уменьшения тепловых потерь спай теплоизолируйте ватой.
Рис. 9
3. Снимите зависимость показаний гальванометра от тока в первичном контуру в диапазоне 0 2,5 А с шагом 0,4 А.
4. Результаты измерений занесите в таблицу.
5.Постройте график зависимости показания гальванометра от силы тока, нагревающего спай
термокреста.
б. Сделайте выводы по лабораторной работе.
15
№
п/п
1
2
…
Показания амперметра
Показания гальванометра
Контрольные вопросы
1. На чем основан принцип действия термоэлектрических измерительных приборов?
2. Дайте определение действующих значений переменного тока и напряжения.
3. Расскажите об устройстве и принципе действия термокреста.
7.6 Программное обеспечение современных информационно-коммуникационных
технологий
MicrosoftExcel, Word, Accessит.п
8 Материально-техническое обеспечение дисциплины
1. Специализированная лаборатория «Оптики и электромагнетизма».
2. Средства мультимедиа.
16
9 Лист согласования рабочей программы
Направление подготовки: 050100 - Педагогическое образование
код и наименование
Наименование и код профиля подготовки: Физическое образование
код и наименование
Дисциплина:Термоэлектричество
код и наименование
Форма обучения: очная Учебный год 2011-2012
(очная, заочная)
РЕКОМЕНДОВАНА заседанием кафедры ТиМПФТиП
наименование кафедры
протокол № 1 от "16" сентября 2011 г.
Ответственный исполнитель, заведующий кафедрой ТиМПФТиП
О.В.Сидоров__________________
подпись
расшифровка подписи
СОГЛАСОВАНО:
Декан
Е.В. Ермакова
личная подпись
расшифровка подписи
дата
дата
Начальник отдела информационно-библиотечного обслуживания
Л.Б. Гудилова
личная подпись
расшифровка подписи
дата
Рабочая программа зарегистрирована в УМО под номером
Начальник УМОИ.А. Коробейникова
личная подпись
расшифровка подписи
дата
17
Дополнения и изменения в рабочей программе
дисциплинына 2012/2013 уч.г.
Внесенные изменения на 2012/2013 учебный год
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
Е.В. Ермакова
(подпись, расшифровка подписи)
“10”сентября2012 г
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
Изменений нет
Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедры
(дата, номер протокола заседания кафедры, подпись зав. кафедрой).
СОГЛАСОВАНО:
Заведующий кафедройТИМПФТиПО.В. Сидоров
наименование кафедры
_______________
личная подпись
расшифровка подписи
дата
Начальник отдела информационно- библиотечного обслуживания (если связано с изменением
списка литературы)
личная подпись
Л.Б. Гудилова ___________
расшифровка подписи
дата
Дополнения и изменения внесены в электронную базу данных рабочих программ дисциплин
Начальник УМО
личная подпись
И.А. Коробейникова__________
расшифровка подписи
дата
18
Дополнения и изменения в рабочей программе
дисциплинына 2013/2014уч.г.
Внесенные изменения на 2013/2014 учебный год
УТВЕРЖДАЮ
Декан факультета
Е.В. Ермакова
(подпись, расшифровка подписи)
“20”сентября2013 г
В рабочую программу вносятся следующие изменения:
1. Изменений нет.
Рабочая программа пересмотрена на заседании кафедрыМИиМП
(дата, номер протокола заседания кафедры, подпись зав. кафедрой).
СОГЛАСОВАНО:
Заведующий кафедрой ТИМПФТиПО.В. Сидоров
наименование кафедры
_______________
личная подпись
расшифровка подписи
дата
Начальник отдела информационно- библиотечного обслуживания (если связано с изменением
списка литературы)
личная подпись
Л.Б. Гудилова ___________
расшифровка подписи
дата
Дополнения и изменения внесены в электронную базу данных рабочих программ дисциплин
Начальник УМО
личная подпись
И.А. Коробейникова__________
расшифровка подписи
дата
19