Главная > Документ


V цикл. Определение принципиальной электрической схемы

«чёрного ящика».

Содержание и метод выполнения всех работ этого цикла.

Исследование «чёрного ящика» в простейших случаях можно выполнить путём измерения сопротивления и снятия вольт-амперной характеристики. При этом следует помнить, что схема может содержать полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого зависит от полярности приложенного сопротивления. Если при изменении подключения выводов омметра на противоположное показания прибора изменяются, то в схеме содержится полупроводниковый пробор с p-n переходом. Сопротивление p-n перехода в прямом направлении (Rп) обычно бывает порядка 10 Ом, а в обратном направлении десятки или сотни кОм (RO).

Если диод включен последовательно с резистором, электрическое сопротивление которого RnO, то измеренное значение сопротивления будет примерно равно R при одном варианте подключения и много больше при другом варианте.

В случае же, когда диод включен параллельно резистору, электрическое сопротивление схемы будет примерно равно электрическому сопротивлению R резистора при одном способе подключения омметра и близко к нулю при другом.

Если электрическое сопротивление не изменяется при изменении направления тока через схему, значит полупроводникового прибора в схеме нет (этот вывод справедлив для очень простых схем).

Для более точного определения принципиальной схемы «чёрного ящика» можно исследовать зависимость силы тока от напряжения и построить вольт-амперные характеристики.

Если при снятии вольт-амперной характеристики происходит существенное повышение его температуры за счёт нагревания протекающим током, то характеристика может оказаться нелинейной.

Измерения не постоянном токе не позволяют отличить в «чёрном ящике» резистор от катушки, обнаружить конденсатор и определить его ёмкость.

Для того, чтобы отличить резистор от катушки. Можно исследовать зависимость силы тока от частоты приложенного напряжения. Электрическое сопротивление резистора в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц должно оставаться практически неизменным.

Катушка с электрическим сопротивлением R и индуктивностью L может быть представлена как цепь из последовательно включенных резистора с сопротивлением R и идеальной катушки с индуктивностью L.

С увеличением частоты приложенного напряжения индуктивное сопротивление ХL катушки растёт прямо пропорционально частоте:

Так как по закону Ома , ток через катушку с ростом частоты будет плавно уменьшаться.

Для определения индуктивности L катушки можно воспользоваться результатами измерения напряжения U и силы тока I на достаточно большой частоте, при которой активное сопротивление R катушки пренебрежимо мало по сравнению с её индуктивным сопротивлением ХL

. и .

Если электрическое сопротивление между выводами «чёрного ящика» настолько велико, что его значение не удаётся определить с помощью омметра, то можно предположить, что в цепь включен конденсатор. Его наличие можно установить, подключая схему к источнику переменного тока и измеряя силу тока на различных частотах. Так как ёмкостное сопротивление ХС конденсатора обратно пропорционально частоте

;

то при постоянной амплитуде переменного напряжения сила тока через конденсатор должна линейно возрастать с увеличением частоты. Если в схеме помимо конденсатора содержится ещё и резистор, то такая зависимость будет несколько иной.

Зависимость силы тока от частоты при последовательном и при параллельном включении резистора и конденсатора различная.

В первом случае сопротивлением резистора при определённой ёмкости конденсатора можно пренебречь на достаточно низкой частоте; на высоких же частотах может стать пренебрежимо малым ёмкостное сопротивление конденсатора.

Во втором случае измерение электрического сопротивления резистора возможно с помощью омметра, а для определения ёмкости конденсатора можно найти значение его ёмкостного сопротивления ХС в области высоких частот, где ХСR и .

.

Если в «чёрном ящике» находится электрическая цепь из последовательно или параллельно соединённых катушки и конденсатора, можно исследовать зависимость силы тока от частоты при постоянном действующем значении переменного напряжения U. Мы увидим знакомые нам частотные характеристики параллельного и последовательного контуров соответственно.

В качестве простейшего омметра в этом цикле работ используется источник питания (=5 В) и учебный вольтметр на 6 В. Внутреннее сопротивление RП источника питания пренебрежимо мало по сравнению с внутренним сопротивлением RV вольтметра. RV =6 кОм. Если неизвестное сопротивление RХ, которое необходимо измерить, соизмеримо с RV , то стрелка вольтметра не отклонится на всю шкалу. При RV =RХ напряжение источника питания UП поделится на последовательно соединённых RV и RХ и стрелка вольтметра покажет половину напряжения источника питания. При других значениях RХ показания вольтметра будут другими. При желании эти значения можно вычислить, зная RV и UП. можно даже начертить новую шкалу прибора, проградуировав её в единицах сопротивления.

Для решения наших задач в этом нет необходимости. Нам достаточно определить, проходит ли постоянный ток через «чёрный ящик» в прямом и в обратном направлении.

Приборы такого типа называют пробниками..

Для всех работ V цикла цель формулируется одинаково – самостоятельно исследовать электрические параметры неизвестной электрической схемы – «чёрного ящика».

Лабораторная работа №1-V.

Оборудование: «чёрный ящик №1; вольтметр «учебный» =6 В; миллиамперметр «учебный» ~5 mА; щиток питания +5 В – красное гнездо, минус - ┴; звуковой генератор ЗГ-10 (положение ручек управления):

«затухание» 4 дБ;

«вых. сопротивление» 5000;

«внутр. нагрузка» - вкл.

напряжение по шкале вольтметра ЗГ-10 20 В.

Лабораторная работа №2-V.

Оборудование: «чёрный ящик» №2; вольтметр «учебный» =6 В; миллиамперметр ~ 50 mА; звуковой генератор ГЗШ; щиток питания + 5 В (красное гнездо) , минус - ┴.

Лабораторная работа №3-V.

Оборудование: источник постоянного тока И 5; миллиамперметр «учебный» =5mА; «чёрный ящик» №3.

Лабораторная работа №4-V.

Оборудование: «чёрный ящик» №4; миллиамперметр 115-1 50 mА; источник постоянного напряжения БП-8-2,5.

Лабораторная работа №5-V.

Оборудование: звуковой генератор ГЗ-34; «чёрный ящик» №5; миллиамперметр А5 (20 mА); вольтметр =6 В; щиток питания + 5 В (красное гнездо) , минус - ┴.

Положение ручек ГЗ-34:

«Предел шкал» - 1 В;

«Вых. сопротивление» - АТТ;

«Внутр нагрузка» - Выкл;

«Шкалы прибора» - ×1;

«Рег выхода» - 8 В по верхней шкале.

Лабораторная работа №6-V.

Оборудование: источник постоянного тока БП8-1; миллиамперметр =500 mА; «чёрный ящик» №6.

VI цикл. Оптика.

Лабораторная работа №1-VI.

Определение показателя преломления стекла.

Цель: определить показатель преломления стекла в условиях полного внутреннего отражения.

Оборудование: две стеклянных пластины; лазерная указка; деревянная подставка под пластины с измерительной линейкой; штангенциркуль; экран.

Содержание и метод выполнения работы.

Если направить луч лазера вдоль плоскости верхней грани стеклянной плоскопараллельной пластины, как показано на рис 1, часть лучей достигнет нижней грани за счёт преломления. Угол преломления , согласно закону преломления, связан с показателем преломления n стекла соотношением : , откуда (1).

Чтобы найти угол преломления , нужно измерить толщину стеклянной пластины d и длину «тёмного промежутка» . Из треугольника АБС: (2).

В реальных условиях рёбра стеклянных пластинок обычно имеют закругления. По этой причине нужно подбирать пластины, имеющие максимально острое верхнее ребро, чтобы уменьшить вероятность появления ошибки при вычислении n.

Порядок выполнения работы.

  1. Расположите оборудование на столе так, как показано на рис 2. о

  2. Положите стеклянную пластину на подставку с линейкой, совместив кромку пластины BD с нулевым делением линейки Включите лазер кнопкой на его корпусе и направьте его так, чтобы его луч скользил по поверхности стеклянной пластины. Для этого нужно использовать регулировочные винты штатива. На экране появятся две светящиеся точки – одна напротив верхней грани пластины, другая напротив нижней грани.

  3. Измерьте расстояние при помощи линейки. Измерьте толщину пластины d штангенциркулем.

  4. Повторите эксперимент с другой пластиной.

  5. Определите показатели преломления n для обеих пластин.

Лабораторная работа №2-VI.

Исследование зависимости силы фототока от освещённости.

Цель: Исследовать зависимость силы фототока фотоэлемента от освещённости. Исследовать зависимость освещённости от угла падения пучка света. Построить графики этих зависимостей.

Оборудование:

  • Прибор для изучения законов освещенности;

  • Микроамперметр «учебный» =100 μА;

  • Источник питания лампы ~6,3 В (жёлтое гнездо щитка питания).

  • Провода соединительные.

Содержание и метод выполнения работы.

В этой работе применяется селеновый фотоэлемент (рис 1). Он состоит из железной пластинки (1), покрытой слоем селена (2), на который нанесён тонкий полупрозрачный слой золота (3). От железной пластинки и от плёнки золота (на неё положено контактное кольцо 4) сделаны отводы к зажимам, с помощью которых фотоэлемент включают в электрическую цепь. В результате специальной обработки часть атомов золота проникает в селен, обладающий дырочной проводимостью, и образует в нём слой с электронной проводимостью.

На границе двух слоёв с различным видом проводимости создаётся электронно-дырочный переход.

При освещении фотоэлемента в селене образуются свободные носители заряда, которые под действием электрического поля электронно-дырочного перехода разделяются: электроны накапливаются в электронном полупроводнике, а дырки – в дырочном. В результате на зажимах фотоэлемента возникает электродвижущая сила.

Если фотоэлемент подключить к гальванометру и осветить, то в цепи возникнет фототок, сила которого зависит от освещённости.

П
рибор (рис 2), с которым выполняют данную работу, представляет собой закрытую с торцов пластмассовую трубу. В левой части трубы находится селеновый фотоэлемент, соединённый гибкими проводами с микроамперметром. При помощи рукоятки фотоэлемент можно поворачивать вокруг горизонтальной оси на 900. ось вращения проходит через диаметр активной поверхности фотоэлемента. Угол поворота определяется по шкале угломера на корпусе прибора.

В нижней части откидной крышки трубы укреплена шкала, по которой можно определять расстояние от лампы до плоскости чувствительного слоя фотоэлемента.

Труба прибора имеет внутри несколько защитных рёбер и чёрную защитную окраску, которые защищают фотоэлемент от световых бликов.

В данной работе нужно исследовать зависимость силы фототока фотоэлемента от освещённости, а также зависимость освещённости от угла падения пучка света на фотоэлемент. Необходимо построить графики этих зависимостей.

Порядок выполнения работы.

  1. Подготовьте таблицы для записи результатов измерений и вычислений.

  2. Ознакомьтесь с устройством приборов.

  3. Расположите фотоэлемент прибора перпендикулярно к оси трубы.

  4. Подсоедините к источнику питания (жёлтое гнездо щитка питания и ┴) электрическую лампу и установите её внутри прибора на минимальном расстоянии от фотоэлемента.

  5. Увеличивая расстояние между лампой и фотоэлементом через 2 см, измеряйте силу тока.

  6. для каждого случая рассчитайте освещённость Е фотоэлемента по формуле , где I – сила света источника (её приближённо примем равной 1 кд);

r – расстояние между лампой и фотоэлементом, выраженное в метрах.

7. Тщательно установите в трубу линзу и лампочку так, чтобы после линзы получился параллельный пучок света.

8. Постепенно поворачивайте фотоэлемент , устанавливая его по угломеру под разными углами α, каждый раз записывая ток.

Проверьте «закон косинуса».

Все результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

9. Постройте графики. Сделайте выводы.

Таблица 1.

Расстояние между фотоэлементом и лампой r, м

Освещённость фотоэлемента Е, лк

Сила фототока I, мкА

Таблица 2.

Угол α, град.

Фототок, мкА

Освещённость Е

(по формуле Е=Е0cosα)

Контрольные вопросы.

  • Как устроен селеновый фотоэлемент?

  • Как следует изменить расстояние от лампы до фотоэлемента, чтобы фототок увеличился в два раза?

  • Зачем внутри прибора сделаны защитные рёбра и почему внутри прибора поверхность чёрного цвета.

Лабораторная работа №3-VI.

Определение фокусного расстояния собирающей и рассеивающей линз.

Цель: определить фокусное расстояние собирающей линзы двумя способами.

Определитьглавное фокусное расстояниерассеивающей линзы.

Оборудование: рассеивающая линза, собирающая линза, источник света КЛО-120, вставка «стрелка», линейка, матовый экран.

Содержание, метод и порядок выполнения работы.

Задача 1.определение фокусного расстояния собирающей линзы по расстоянию предмета и его изображения от линзы.

  1. Получите на матовом экране при помощи линзы действительное изображение какого-либо удалённого предмета. Измерьте расстояние между линзой и экраном. Это расстояние для тонких линз равно фокусному расстоянию.

  2. Вдоль линейки расположите источник света (светящуюся стрелку), линзу и экран. Источник света поставьте на расстоянии от линзы большем 2F. Передвигая экран, получите чёткое изображение стрелки. Начертите ход лучей.

  3. Измерьте расстояние d1 от линзы до стрелки и расстояние f1 от линзы до изображения стрелки. Результаты измерений в этом и последующих опытах запишите в таблицу 1.

  4. Поставьте линзу на расстоянии между F и 2F от светящейся стрелки. Перемещая экран, вновь получите чёткое изображение. Начертите ход лучей. Измерьте в этом случае d2 и f2.

  5. Изменяя расстояние от линзы до светящейся стрелки, получите чёткое изображение на экране. Измерьте d3 и f3.

  6. По полученным данным рассчитайте фокусное расстояние линзы по формуле и сравните с результатом опыта 1.

  7. Определите оптическую силу линзы D.

Таблица 1.

d, м

f, м

F, м

FСР, м

D, дп

1

2

3


Задача 2. Определение фокусного расстояния линзы по величине перемещения линзы.

Если расстояние от предмета до экрана больше 4F, то всегда найдутся два положения линзы, при которых на экране получатся чёткие изображения предмета М : в положении А увеличенное, а в положении В – уменьшенное.

При этом оба положения линзы симметричны относительно середины расстояния между предметом и его изображением.

Для этих положений линзы можно записать уравнения:

; , причём , .

Из рис 1 видно, что = (1) , где а – расстояние между положениями А и В линзы.

Подставив в формулу (1) , получим: =, откуда

(2). Из рис 1 следует, что

(3).

Подставляя в формулу линзы выражения (2) и (3) , получим

Таким образом, для вычисления фокусного расстояния F нужно определить расстояние между предметом и экраном и расстояние , на которое была перемещена линза из положения А в положение В. Результаты измерений и вычислений занести в таблицу 2.

, м

, м

d, м

f, м

F, м

FСР, м

D, дп

1

2

3

Задача 3. Определение главного фокусного расстояния рассеивающей линзы.

Е
сли на пути лучей (рис 2), выходящих из точки S и сходящихся в точке В, после преломления в собирающей линзе Л1, поставить рассеивающую линзу Л2 так, чтобы расстояние Л2В было меньше её фокусного расстояния, то изображение точки S будет находиться в другой , более удалённой от линзы Л2 точке А.

Вследствие обратимости лучей в системах линз можно рассматривать лучи света, как бы распространяющиеся из точки А. Тогда точка В будет мнимым изображением точки А после преломления лучей в рассеивающей линзе Л2. Обозначая расстояния точек А и В от линзы Л2 соответственно а и в и применяя формулу для рассеивающей линзы, имеем:

; . (4)

Используя рассмотренный случай применим следующий метод определения фокусного расстояния рассеивающей линзы. Между лампочкой и экраном устанавливают собирающую линзу так, чтобы на экране получилось отчётливое изображение, затем между собирающей линзой и экраном устанавливают рассеивающую линзу и записывают расстояние от рассеивающей линзы до экрана. Смещают экран и, не изменяя положения рассеивающей линзы, устанавливают его так, чтобы на нём опять получилось отчётливое изображение. Отмечают расстояние до нового положения экрана.

По полученным данным определяют а и в и по формуле (4) определяют главное фокусное расстояние рассеивающей линзы.

Перемещение экрана производится не менее трёх раз и из полученных значений берется среднее. Прежде чем приступать к нахождению первого положения экрана (точек В), нужно убедиться, получается ли при данном расположении приборов отчётливое изображение с рассеивающей линзой.

Полученные результаты занести в таблицу 3.

а, м

в, м

F, м

FСР, м

D, дп

1

2

3

Контрольные вопросы.

  • Что называется оптической силой линзы? Какова оптическая сила собирающей и рассеивающей линзы?

  • Когда собирающая линза даёт мнимое изображение предмета?



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Нижегородский физико – математический лицей №40 лабораторные работы

    Методические рекомендации
    В пособии приведены описания лабораторных работ и методические указания к их выполнению, а также приложения, содержащие справочные материалы по физике.
  2. Нижегородский физико-математический лицей № 40 методические рекомендации и сборник задач

    Сборник задач
    В пособии приведены методические рекомендации по обучению физики в 8-м классе для школ с углубленным изучением предмета, приведены примеры решения задач и большое количество задач для самостоятельной работы по теме «Тепловые явления»,
  3. Нижегородский физико-математический лицей №40 нижний новгород 2004

    Учебники и учебные пособия
    В пособии приведён теоретический материал, описание лабораторных работ, методические указания к их выполнению, а также приложения, содержащие справочные материалы по физике.
  4. На учебное пособие «Методика решения задач по химии» для учащихся 8-11 классов

    Учебное пособие
    Пособие представляет собой обзор методических рекомендаций и приемов. За основу взяты приводимые ниже методические пособия (список «Литература») и собственный опыт составителя.
  5. Ермачковой 2006/2007 учебный год

    Доклад
    Высокоодаренным детям должны быть предоставлены такие условия обучения, в которых они могли бы полностью реализовать свои возможности в соответствии со своими собственными интересами и интересами общества.
  6. Ермачковой 2006/2007 учебный год

    Доклад
    Высокоодаренным детям должны быть предоставлены такие условия обучения, в которых они могли бы полностью реализовать свои возможности в соответствии со своими собственными интересами и интересами общества.

Другие похожие документы..