280635
столько раз учителя, ученики и родители
посетили сайт «Инфоурок»
за прошедшие 24 часа
+Добавить материал
и получить бесплатное
свидетельство о публикации
в СМИ №ФС77-60625 от 20.01.2015
Дистанционные курсы профессиональной переподготовки и повышения квалификации для педагогов

Дистанционные курсы для педагогов - курсы профессиональной переподготовки от 6.900 руб.;
- курсы повышения квалификации от 1.500 руб.
Престижные документы для аттестации

ВЫБРАТЬ КУРС СО СКИДКОЙ 50%

ВНИМАНИЕ: Скидка действует ТОЛЬКО сейчас!

(Лицензия на осуществление образовательной деятельности № 5201 выдана ООО "Инфоурок")

ИнфоурокФизикаРабочие программыЛабораторные работы по физике

Лабораторные работы по физике

библиотека
материалов
Скачать материал целиком можно бесплатно по ссылке внизу страницы.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.7.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ И КПД ИСТОЧНИКОВ ТОКА

Фамилия И.О. _____________   Группа ______   Дата ______

Введение

Цель данной работы – экспериментально проверить теоретические выводы о зависимости полезной мощности и КПД источника тока от сопротивления нагрузки.

Электрическая цепь состоит из источника тока, подводящих проводов и нагрузки или потребителя тока. Каждый из этих элементов цепи обладает сопротивлением.

Сопротивление подводящих проводов обычно бывает очень мало, поэтому им можно пренебречь. В каждом участке цепи будет расходоваться энергия источника тока. Весьма важное практическое значение имеет вопрос о целесообразном расходовании электрической энергии.

Полная мощность Р, выделяемая в цепи, будет слагаться из мощностей, выделяемых во внешней и внутренней частях цепи: P = I2 ·R + I2·r = I2(R + r). Так как I(R + r) = ε, то Р =I·ε,

где R – внешнее сопротивление; r – внутреннее сопротивление; ε – ЭДС источника тока.

Таким образом, полная мощность, выделяемая в цепи, выражается произведением силы тока на ЭДС элемента. Эта мощность выделяется за счет каких-либо сторонних источников энергии; такими источниками энергии могут быть, например, химические процессы, происходящие в элементе.

Рассмотрим, как зависит мощность, выделяемая в цепи, от внешнего сопротивления R, на которое замкнут элемент. Предположим, что элемент данной ЭДС и данного внутреннего сопротивления r замыкается внешним сопротивлением R; определим зависимость от R полной мощности Р, выделяемой в цепи, мощности Ра, выделяемой во внешней части цепи и КПД.

Сила тока I в цепи выражается по закону Ома соотношением

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image001.png

Полная мощность, выделяемая в цепи, будет равна

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image002.png

При увеличении R мощность падает, стремясь асимптотически к нулю при неограниченном увеличении R.

Мощность, выделяющаяся во внешней части цепи, равна

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image003.png

Отсюда видно, что полезная мощность Ра равна нулю в двух случаях – при R = 0 и  R = ∞.

Исследуя функцию Ра = f(R) на экстремум, получим, что Ра достигает максимума при R = r, тогда

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image004.png

 

Чтобы убедится в том, что максимум мощности Ра получается при R = r, возьмем производную Ра по внешнему сопротивлению

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image005.png

Откуда

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image006.png

По условию максимума требуется равенство нулю первой производной

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image008.png                                      r2 = R2http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image007.jpg

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image009.png                    R = r

 

 

 

 

 

 

Можно убедиться, что при этом условии мы получим максимум, а не минимум для Ра, определив знак второй производной http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image010.png.

Коэффициент полезного действия (КПД) η источника ЭДС это величина отношения мощности Ра, выделяющейся во внешней цепи, к полной мощности Р, развиваемой источником ЭДС.

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image011.png

В сущности КПД источника ЭДС указывает, какая доля работы сторонних сил преобразуется в электрическую энергию и отдается во внешнюю цепь.

Выражая мощность через силу тока I, разность потенциалов во внешней цепи U и величину электродвижущей силы ε, получим

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image012.png

То есть КПД источника ЭДС равен отношению напряжения во внешней цепи к ЭДС. В условиях применимости закона Ома можно далее заменить U = IR; ε = I(R + r), тогда

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image013.png

Следовательно, в том случае, когда вся энергия расходуется на Ленц-Джоулево тепло, КПД источника ЭДС равен отношению внешнего сопротивления к полному сопротивлению цепи.

При R = 0 имеем η = 0. С увеличением R, КПД возрастает, стремится к значению η=1 при неограниченном увеличении R, однако при этом мощность, выделяющаяся во внешней цепи, стремится к нулю. Таким образом, требования одновременного получения максимальной полезной мощности при максимальном КПД невыполнимы.

Когда Ра достигает максимума, то η = 50%. Когда же КПД η близок к единице, полезная мощность мала по сравнению с максимальной мощностью, которую мог бы развивать данный источник. Поэтому для увеличения КПД необходимо по возможности уменьшать внутреннее сопротивление источника ЭДС, например, аккумулятора или динамо-машины.

В случае R = 0 (короткое замыкание) Ра = 0 и вся мощность выделяется внутри источника. Это может привести к перегреву внутренних частей источника и выводу его из строя. По этой причине короткие замыкания источников (динамо-машины, аккумуляторные батареи) недопустимы!

На рис. 1 кривая 1 дает зависимость мощности Ра, выделяемой во внешней цепи, от сопротивления внешней части цепи R; кривая 2 дает зависимость от R полной мощности Р; кривая 3 – ход КПД η от того же внешнего сопротивления.

 

Порядок выполнения работы

1.       Ознакомиться со схемой на стенде.

2.       Установить с помощью магазина сопротивление R = 100 Ом.

3.       Замкнуть ключ К.

4.       Произвести измерения силы тока в цепи последовательно для различных девяти сопротивлений на магазине сопротивлений, начиная от 100 Ом и выше. Внести в таблицу результаты измерений силы тока, выразив их в амперах.

5.       Выключить ключ К.

6.       Вычислить для каждого сопротивления Р, Ра (в ваттах) и η.

7.       Построить графики Р, Ра и η от R.

 

Контрольные вопросы

1.       Что называется КПД источника ЭДС?

2.       Вывести формулу КПД источника ЭДС.

3.       Что такое полезная мощность источника ЭДС?

4.       Вывести формулу полезной мощности источника ЭДС.

5.       Чему равна максимальная мощность, выделяемая во внешней цепи (Ра)max?

6.       При каком значении R полная мощность Р, выделяющаяся в цепи, максимальна?

7.       Чему равен КПД источника ЭДС при (Ра)max?

8.       Произвести исследование функции (Ра) = f(R)  на экстремум.

9.       Зарисовать график зависимости Р, Ра и η от внешнего сопротивления R.

10.    Что такое ЭДС источника?

11.    Почему сторонние силы должны быть не электрического происхождения?

12.    Почему недопустимо короткое замыкание для источников напряжения?

 

п/п

R, Ом

I·10-3,  A

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image014.png, Вт

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image015.png, Вт

http://bog5.in.ua/lection/labrab/electrics/lr3_7.files/image016.png

1

0

 

 

 

 

2

100

 

 

 

 

3

200

 

 

 

 

4

300

 

 

 

 

5

400

 

 

 

 

6

500

 

 

 

 

7

600

 

 

 

 

8

700

 

 

 

 

9

800

 

 

 

 

10

900

 

 

 

 

 

r  = 300 Ом



Краткое описание документа:

 

нестандартные лабораторные работы с элементами поиска

 

 

11-й класс (сентябрь) или 10-й класс (март-апрель)

 

Лабораторная работа № 1

 

Вольт-амперная характеристика металлического проводника

 

Оборудование: источник тока, резистор, реостат, амперметр, вольтметр, соединительные провода.

 

 

Выполнение работы:

 

1.    Приготовьте таблицу для записи результатов измерения:

 

U, В

 

 

 

 

 

I, А

 

 

 

 

 

 

2.    Изобразите схему электрической цепи для изучения вольт-амперной характеристики резистора.

3.    Соберите цепь, измерьте значения силы тока и напряжения при различных положениях ползунка реостата.

4.    По данным таблицы постройте график зависимости I(U), учитывая погрешности измерения величин.

5.    Определите сопротивление резистора, выбрав для расчёта параметры точки, принадлежащей графику.

6.    Определите погрешность измерения сопротивления.

 

 

 

Контрольный вопрос:

 

Как будут расположены относительно друг друга графики ВАХ для двух проводников с разными сопротивлениями? (Сделайте рисунок.)


Лабораторная работа № 2

 

Определение удельного сопротивления проводника

 

 

Оборудование: источник тока, амперметр, вольтметр, резистор, линейка, циркуль, соединительные провода.

 

Выполнение работы:

  1. Запишите значение диаметра проводника  d, указанное на корпусе резистора.
  2. С помощью циркуля и линейки измерьте длину одного витка, определите число витков и вычислите его общую длину .
  3. Изобразите схему электрической цепи, предназначенной для измерения силы тока и напряжения на резисторе.
  4. Соберите электрическую цепь, снимите показания приборов.
  5. Запишите закон Ома для однородного участка цепи и формулу зависимости сопротивления проводника от его геометрических размеров (сечение проводника - окружность)  и материала; решите полученную систему уравнений для удельного сопротивления проводника .
  6. Вычислите значение удельного сопротивления.
  7. Вычислите погрешность определения удельного сопротивления.

 

Контрольный вопрос:

 

Зависит ли сопротивление проводника от силы тока в нём и напряжения на его концах?


Общая информация

Номер материала: 148644

Вам будут интересны эти курсы:

Курс повышения квалификации «Информационные технологии в деятельности учителя физики»
Курс профессиональной переподготовки «Физика: теория и методика преподавания в образовательной организации»
Курс повышения квалификации «Интеллектуальная собственность: авторское право, патенты, товарные знаки, бренды»
Курс повышения квалификации «Управление финансами: как уйти от банкротства»
Курс повышения квалификации «Маркетинг в организации, как средство привлечения новых клиентов»
Курс профессиональной переподготовки «Организация менеджмента в туризме»
Курс повышения квалификации «ЕГЭ по физике: методика решения задач»
Курс профессиональной переподготовки «Разработка эффективной стратегии развития современного вуза»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности специалиста оценщика-эксперта по оценке имущества»
Курс профессиональной переподготовки «Организация деятельности по водоотведению и очистке сточных вод»
Курс профессиональной переподготовки «Теория и методика музейного дела и Охраны исторических памятников»
Курс профессиональной переподготовки «Организация и управление службой рекламы и PR»
Курс профессиональной переподготовки «Управление качеством»
Курс профессиональной переподготовки «Стандартизация и метрология»
Курс профессиональной переподготовки «Управление корпоративной информационной безопасностью: Администрирование и эксплуатация аппаратно-программных средств защиты информации в компьютерных системах»
Включите уведомления прямо сейчас и мы сразу сообщим Вам о важных новостях. Не волнуйтесь, мы будем отправлять только самое главное.