Сайт викладача фізики

Перелік лабораторних робіт.

№1. Перевірка достовірності закону Бойля-Маріотта.

№2. Вимірювання атмосферного тиску.

№3. Вимірювання відносної вологості повітря.

№4. Визначення поверхневого натягу рідини.

№5. Визначення температурного коефіцієнту лінійного розширення.

№6. Визначення температурного коефіцієнту об’ємного розширення.

№7. Дослідження залежності опору провідника від температури.

№8. Визначення ЕРС, внутрішнього опору та ККД джерела струму.

№9. Розширення вимірювальних меж наявного вольтметра.

№10. Розширення вимірювальних меж наявного амперметра.

№11. Визначення електрохімічного еквіваленту речовини.

№12. Дослідження залежності опору напівпровідника від температури.

№13. Дослідження електропровідності напівпровідникового діода.

.

          Лабораторна робота №1.

Тема роботи. Перевірка достовірності закону Бойля-Маріотта.

Мета роботи. Дослідним шляхом перевірити достовірність закону Бойля-Маріотта.

Теоретичні відомості.

Закон Бойля–Маріотта – це закон, в якому стверджується: при ізотермічному процесі, добуток тиску будь якого газу на його об’єм, залишається незмінним. Іншими словами: якщо m = const, T = const то pV=const.

За наявності сучасного обладнання, наприклад такого яке представлене на мал.1, перевірити достовірність закону Бойля-Маріотта надзвичайно просто і чесно кажучи нецікаво. Однак по перше, сучасного обладнання в шкільному кабінеті фізики може не виявитися. А по друге, в часи Роберта Бойля і Едмона Маріотта (~ 1670р.) подібного обладнання не було. Тому виконаємо дану роботу так, як це можна було зробити в середині 17-го століття.

1)2)

В зображеній на мал.2а системі, в скляній трубці між пробкою і водою знаходиться повітря з параметрами р₁ = р_атм, V₁ = Sℓ₁, де S – площа поперечного перерізу трубки. Піднімаючи праву частину системи на висоту h, ми збільшуємо тиск повітря до величини р₂ = р₁ + ρgh. При цьому об’єм повітря зменшиться до величини  V₂ = Sℓ₂.

Якщо закон Бойля-Маріотта справедливий, то має виконуватися співвідношення: p₁V₁ = p₂V₂, або p₁Sℓ₁ = (р₁ + ρgh)Sℓ₂, або p₁ℓ₁ = (р₁ + ρgh)ℓ₂, або ℓ₁ = (1 + ρgh/р₁)ℓ₂. А враховуючи, що ρgh/р₁ = ρgh/р_атм = ρgh/ρg·10,3 = h/10,3, можна записати ℓ₁ = (1 + h/10,3)ℓ₂ (тиск в одну атмосферу створює шар води висотою 10,3м).

Таким чином, якщо в результаті проведення лабораторної роботи, та вимірювання величин ℓ₁, ℓ₂, h, ми отримаємо, що в межах допустимої похибки ℓ₁ = (1 + h/10,3)ℓ₂, де h – висота виміряна в метрах, то це означатиме, що закон Бойля-Маріотта достовірний.

В другій частині роботи, гумову трубкою з лійкою будемо не піднімати, а навпаки опускати на висоту h′. При цьому тиск повітря в скляній трубці зменшиться (р₃ = р₁ – ρgh′), натомість об’єм повітря збільшиться (V₃ = Sℓ₃, де ℓ₃ ˃ ℓ₁). Однак і в цьому випадку має виконуватися співвідношення ℓ₁ = (1 – h′/10,3)ℓ₃.

Варто зауважити, що при опусканні трубки з лійкою нижче нульового рівня, вода в лійці якщо й підніметься, то тільки на об’єм ΔV = S(ℓ₃ – ℓ₁). Адже отвір скляної трубки герметично закритий, а вода в лійці знаходиться під тиском атмосфери.

Обладнання: 1) скляна трубка довжиною 25-30 см, 2) відповідний діаметру трубки гумовий шланг, 3) лійка або скляна трубка довжиною 15см, 4) коркова або гумова пробка, 5) лінійка, 6) штатив, 6) вода.

Хід роботи.

1. В систему яка складається з скляної трубки, що герметично з’єднана з гумовим шлангом та лійкою, заливаємо воду таким чином, щоб рівень води в трубці був нижче за її верхній зріз на 15-20 см.
2. За однакового рівня води в трубці і лійці, герметично закриваємо верхній край трубки пробкою.
3. Для максимально точного вимірювання висоти ℓ₁, ℓ₂, скляну трубку у поєднанні з лінійкою закріплюємо в штативі і вимірюємо висоту ℓ₁.
4. Піднімаємо лійку на максимально велику висоту h, і вимірюємо як цю висоту, так і висоту ℓ₂.
5. Порівнюємо висоту ℓ₁ з висотою (1 + h/10,3)ℓ₂. За результатами порівнянь робимо висновок що до достовірності твердження p₁V₁ = p₂V₂.
6. Опускаємо лійку до максимально можливого рівня h′, і вимірюємо як цей рівень, так і висоту ℓ₃.
7. Порівнюємо висоту ℓ₁ з висотою (1 – h′/10,3)ℓ₃. За результатами порівнянь робимо висновок, що до достовірності твердження p₁V₁ = p₃V₃.
8. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
9. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань і обчислень.

ℓ1	h	ℓ2	(1+h/10,3)ℓ2	h′	ℓ3	(1 – h′/10,3)ℓ3
см	м	см	см	м	см	см

Розрахунки.

Висновки.

Лабораторна робота №2.

Тема роботи. Вимірювання атмосферного тиску.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити величину атмосферного тиску.

Теоретичні відомості.

Застосовуючи те обладнання за допомогою якого ми перевіряли достовірність закону Бойля-Маріотта, та виконуючи практично ті ж експерименти і вимірювання, можна визначити величину атмосферного тиску. Дійсно.

В зображеній на мал.1а системі, в скляній трубці між пробкою і водою знаходиться повітря з параметрами р₁ = р_атм, V₁ = Sℓ₁, де S – площа поперечного перерізу трубки. Піднімаючи праву частину системи на висоту h, ми збільшуємо тиск повітря до величини р₂ = р_а + ρgh. При цьому об’єм повітря зменшиться до величини  V₂ = Sℓ₂.

У відповідності з законом Бойля-Маріотта p₁V₁ = p₂V₂, або p_аSℓ₁ = (р_а + ρgh)Sℓ₂, або p_аℓ₁ = (р_а + ρgh)ℓ₂, або p_аℓ₁ = р_аℓ₂ + ρghℓ₂, або p_а(ℓ₁ – ℓ₂) = ρghℓ₂, або p_а = ρghℓ₂/(ℓ₁ – ℓ₂).

Таким чином, в умовах даного експерименту, величину атмосферного тиску, можна визначити за формулою p_а = ρghℓ₂/(ℓ₁ – ℓ₂), де ρ = 1000кг/м³, g = 9,8м/с², ℓ₁, ℓ₂, h – вимірюються.

Якщо ж гумову трубкою з лійкою ми будемо не піднімати, а навпаки опускати на висоту h′, то тиск повітря в скляній трубці зменшиться (р₃ = р₁ – ρgh′), а об’єм повітря збільшиться (V₃ = Sℓ₃, де ℓ₃ ˃ ℓ₁). При цьому величину атмосферного тиску, ми будемо визначати за формулою p_а = ρgh′ℓ₃/(ℓ₃ – ℓ₁).

Обладнання: 1) скляна трубка довжиною 25-30 см, 2) відповідний діаметру трубки гумовий шланг, 3) лійка або скляна трубка довжиною 15см, 4) коркова або гумова пробка, 5) лінійка, 6) штатив, 6) вода.

Хід роботи.

1. В систему яка складається з скляної трубки, що герметично з’єднана з гумовим шлангом та лійкою, заливаємо воду таким чином, щоб рівень води в трубці був нижче за її верхній зріз на 15-20 см.
2. За однакового рівня води в трубці і лійці, герметично закриваємо верхній край трубки пробкою.
3. Для максимально точного вимірювання висоти ℓ₁, ℓ₂, скляну трубку у поєднанні з лінійкою закріплюємо в штативі і вимірюємо висоту ℓ₁.
4. Піднімаємо лійку на максимально велику висоту h, і вимірюємо як цю висоту, так і висоту ℓ₂.
5. За формулою p_а = ρghℓ₂/(ℓ₁ – ℓ₂), визначаємо величину атмосферного тиску.
6. Опускаємо лійку до максимально можливого рівня h′, і вимірюємо як цей рівень, так і висоту ℓ₃.
7. За формулою p_а = ρgh′ℓ₃/(ℓ₃ – ℓ₁), визначаємо величину атмосферного тиску.
8. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
9. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань і обчислень.

ℓ1	h	ℓ2	pа = ρghℓ2/(ℓ1–ℓ2)	h′	ℓ3	pа = ρgh′ℓ3/(ℓ3–ℓ1)
см	м	см	Па	м	см	Па

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №3.

Тема роботи. Визначення відносної вологості повітря.

Мета роботи. Ознайомитися з будовою і принципом дії волосяного гігрометра та психрометра. Визначити вологість повітря волосяним гігрометром, побутовим та лабораторним психрометрами.

Теоретичні відомості.

Відносна вологість повітря – це фізична величина яка характеризує відносну вологість повітря і яка дорівнює відношенню фактичної густини того пару що знаходиться в повітрі (абсолютної вологості повітря), до його максимально можливої при даній температурі густини (густини насиченого пару).

Позначається:  В

Визначальне рівняння:  В = (ρ_а/ρ_н)100%

Одиниця вимірювання:  [В] = % .

Відносну вологість повітря вимірюють різними приладами, більшість з яких прийнято називати гігрометрами (від грец. hygros – волога, та metreo – вимірюю). До числа таких приладів відносяться: волосяний гігрометр, конденсаційний гігрометр, гігрометр психрометричний.

В побутовій практиці, відносну вологість повітря зазвичай вимірюють гігрометрами прямої дії. Принцип дії цих гігрометрів базується на тому, що певні властивості деяких об’єктів, певним чином залежать від відносної вологості повітря. Наприклад в сухому повітрі, клітини втрачають вологу і зменшуються в розмірах (всихають), а в вологому повітрі вони цю вологу накопичують і відповідно збільшуються у розмірах (набухають). А це означає, що лінійні розміри тих об’єктів які мають клітинну структуру, певним чином залежать від  відносної вологості повітря. Дослідивши цю залежність можна створити відповідний прилад прямої дії.

Одним з таких приладів є так званий волосяний гігрометр. Основним волого чутливим елементом волосяного гігрометра є знежирена волосина (або пучок таких волосин) яка певним чином з’єднана з рухомою стрілкою приладу. Принцип дії такої системи полягає в наступному. При зміні відносної вологості повітря, довжина волосини певним чином змінюється. При цьому, стрілка приладу відхиляється і вказує на відповідну величину відносної вологості.

Мал.1. Принциповий устрій волосяних гігрометрів.

З точки зору побутової зручності, волосяний гігрометр є надзвичайно вдалим приладом. Однак з точки зору наукової об’єктивності, він не є тим приладом, показанням якого можна безумовно довіряти. Адже в процесі експлуатації, волого чутливий елемент волосяного гігрометра практично неминуче змінює свої властивості, наприклад за рахунок того, що покривається тонким шаром жирів. А це означає, що користуючись волосяним гігрометром, потрібно періодично звіряти його показання з показаннями інших, більш надійних приладів. Одним з таких приладів є психрометричний гігрометр, який зазвичай називають психрометром.

Гігрометр психрометричний (психрометр, від грец. psicros – холодний) – це прилад, який дозволяє визначати відносну вологість повітря на основі показань сухого та зволоженого термометрів. Будова психрометра гранично проста (мал.2). Він складається з двох однакових термометрів, термочутливий елемент одного з яких обгорнутий шматком змоченої у воді тканини.

а) б)

Мал.2. Загальний вигляд побутового (а) та лабораторного (б) психрометрів.

Принцип дії цієї простої системи полягає в наступному. Відомо, що в процесі випаровування, температура рідини знижується, а в процесі конденсації – підвищується. При цьому, інтенсивність процесу конденсації певним чином залежить від вологості повітря: при високій вологості, кількість конденсованих молекул буде великою, а при низькій – малою. По суті це означає, що та різниця температур (∆t) яка існує між показаннями сухого і зволоженого термометрів, певним чином залежить від температури та  відносної вологості повітря. Дослідивши цю залежність вчені склали відповідну таблицю за допомогою якої і визначають відносну вологість повітря. Наприклад для зображеної на мал.2а ситуації (t_c = 24ºC; t_в = 20ºC; ∆t = 4ºC) В = 69%.

Варто зауважити, що зображений на мал.2а психрометр, має той недолік, що визначена на його основі відносна вологість, практично завжди є дещо завищеною. І це закономірно. Адже в тому місці де знаходиться зволожений термометр, вологість повітря дещо вища за її фактичну величину. Вища тому, що саме там і відбувається процес випаровування. А це означає, що зволожений термометр фактично реагує не на ту вологість яка є в кімнаті, а на ту яка існує в місці його знаходження. Запобігаючи цьому недоліку, в сучасних лабораторних психрометрах (мал.2б) передбачено примусове перемішування повітря, яке здійснюється за допомогою спеціального механічного або електричного вентилятора.

Обладнання: 1) волосяний гігрометр, 2) побутовий психрометр, 3) лабораторний психрометр.

Хід роботи.

1. Фіксуємо показання волосяного гігрометра (В₁) і записуємо їх в таблицю.
2. Фіксуємо показання сухого (t_с) і зволоженого (t_в) термометрів побутового психрометра, і записуємо їх в таблицю.
3. Визначаємо різницю показань термометрів (Δt = t_c–t_в) і за психрометричною таблицею визначаємо відповідну вологість повітря (В₂). Результати записуємо в таблицю.
4. Фіксуємо показання сухого (t_с) і зволоженого (t_в) термометрів лабораторного психрометра, і записуємо їх в таблицю.
5. Визначаємо різницю показань термометрів (Δt = t_c–t_в) і за психрометричною таблицею визначаємо відповідну вологість повітря (В₃). Результати записуємо в таблицю.
6. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

Волосяний гігрометр, В1	Побутовий психрометр				Лабораторний психрометр
	tс	tв	Δt	В2	tс	tв	Δt	В3
%	ºС	ºС	°С	%	ºС	ºС	ºC	%

Висновки.

.

Лабораторна робота №4.

Тема роботи. Визначення коефіцієнту поверхневого натягу рідини.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити коефіцієнт поверхневого натягу води. Порівняти отриманий результат з табличним значенням відповідного коефіцієнту.

Теоретичні відомості.

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини – це фізична величини, яка характеризує пружні властивості поверхневого шару рідини і яка дорівнює відношенню сили поверхневого натягу рідини, до довжини периметру поверхні на якій ця сила діє.

Позначається: σ

Визначальне рівняння: σ = F_пн/ℓ

Одиниця вимірювання: [σ] = Н/м

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини визначається експериментально і записується у відповідну таблицю. Наприклад для води σ = 0,072Н/м. При цьому застосовують різні методи вимірювання, зокрема: 1) метод відриву крапель; 2) метод відриву тіла від поверхні рідини; 3) капілярним метод.

З практичної точки зору, найбільш простим та ефективним методом визначення коефіцієнту поверхневого натягу є капілярний метод. Перевага цього методу полягає в тому, що він по перше не передбачає вимірювання фактично дуже слабких сил поверхневого натягу (як це передбачає метод відриву тіла від поверхні рідини), а по друге, не передбачає вимірювання таких сумнівних величин як діаметр шийки краплі (як це передбачає метод відриву краплі).

Суть капілярного методу полягає в тому, що із умови рівноваги тих сил, що діють на рідину в капілярі, визначають величину коефіцієнту поверхневого натягу цієї рідини. Дійсно. Розглянемо ті сили, що діють на підняту в капілярі рідину. А на цю рідину діють дві рівні за величиною і протилежні за напрямком сили: сила тяжіння (F_т = mg) та сита поверхневого натягу (F_пн = σℓ).

Оскільки в умовах даного експерименту F_т = mg = ρVg = ρhSg = ρhgπd²/4, а   F_пн = σℓ = σπd, то можна записати: σπd  = ρhgπd²/4. Звідси  σ =  ρhgd/4.

Таким чином, коефіцієнт поверхневого натягу рідини можна визначити за формулою  σ = ρhdg/4, де

h – та висота на яку піднімається рідина в капілярі (вимірюється)

d – діаметр капіляру (вимірюється)

g = 9,8м/с² – прискорення сили тяжіння

ρ – густина рідини (для води  ρ = 1∙10кг/м³).

Обладнання: 1) посудина з водою, 2) набір капілярних трубок, 3) набір голок, 4) штангенциркуль або мікрометр, 5) лінійка.

Хід роботи.

1. З набору голок, тонкої проволоки, тощо, підбираємо таку, що відповідає внутрішньому діаметру капіляру (зазвичай d ≤ 1мм).
2. За допомогою штангенциркуля або мікрометра вимірюємо діаметр голки, а відповідно і внутрішній діаметр капіляру ().
3. Занурюємо край капілярної трубки у воду і вимірюємо висоту () піднятої води (ця вода буде триматися в капілярі навіть після того як він буде витягнутим з води).
4. За формулою σ = ρhgd/4, визначаємо коефіцієнт поверхневого натягу води.
5. За формулою δ = (|σ_т – σ|/σ_т)100%, де σ_т = 0,072Н/м, визначаємо відносну похибку досліду.
6. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
7. 7. Пункти 1 – 6 повторюємо для капіляру іншого внутрішнього діаметру.
8. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

№  п/п	Діаметр капіляру	Висота води в капілярі	Коефіцієнтповерхневого натягу	Табличне знач. коефіцієнту	Відносна похибка досл.
–	d	h	σ	σт	δ
–	м	м	Н/м	Н/м	%
1
2

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №5.

Тема роботи. Визначення температурного коефіцієнту лінійного розширення твердого тіла.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити температурний коефіцієнт лінійного розширення наявного тіла (зазвичай алюмінію або сталі).

Теоретичні відомості.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення – це фізична величина, яка характеризує теплове лінійне розширення твердого тіла (даного матеріалу) і яка чисельно дорівнює тому лінійному видовженню (∆ℓ) яке отримує тіло довжиною 1м при його нагріванні на 1ºС.

Позначається:  α

Визначальне рівняння: α = ∆ℓ/ℓ₀∆t, де ∆ℓ – теплове видовження тіла при його нагріванні на ∆t (ºС), ℓ₀ – початкова довжина тіла;

Одиниця вимірювання: [α] = 1/ºС.

Температурний коефіцієнт лінійного розширення кожного матеріалу визначається експериментально і записується у відповідну таблицю. Наприклад для алюмінію α = 23·10^–6(1/ºС), а для сталі α = 12·10^–6(1/ºС).

Обладнання: 1) базовий електронагрівальний прилад, обладнаний механізмом фіксації індикатора видовження, 2) індикатор видовження (мікрометр),  3) досліджувані стержні довжиною 16см, 4)  колба з водою, 5) термометр, 6) штангенциркуль (лінійка), 7) джерело електричного струму.

Хід роботи.

1. Вимірюємо довжину досліджуваного стержня (зазвичай ці стержні мають стандартну довжину ℓ₀ = 16,0см).
2. Досліджуваний стержень занурюємо в колбу з водою та вимірюємо їх температуру (t₀).
3. Колбу з стержнем вставляємо в отвір електронагрівального приладу.
4. Індикатор видовження (мікрометр) встановлюємо над досліджуваним стержнем та фіксуємо його положення.
5. Виставляємо рухомий циферблат індикатора видовження в нульове положення (стрілка приладу має показувати на 0).
6. Вмикаємо електронагрівальний прилад і слідкуємо за стрілкою мікрометра: в процесі нагрівання води, а відповідно і досліджуваного стержня, довжина стержня збільшується, що і фіксує мікрометр.
7. Коли вода закипить (t = 100ºC, Δt = 100ºC – t₀), вимикаємо нагрівальний прилад, і зачекавши поки рух стрілки мікрометра припиниться, фіксуємо його показання (Δℓ)
8. За формулою α = ∆ℓ/ℓ₀∆t, визначаємо температурний коефіцієнт лінійного розширення даного стержня (даного матеріалу)
9. За формулою δ = (|α_т – α|/α_т)100%, де α_т – табличне значення відповідного коефіцієнту, визначаємо відносну похибку досліду.
10. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
11. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

Матеріал стержня	Початкова довжина ст	Зміна т-ри стержня	Видовження стержня	Коф. лін.розшир.	Табличне зн. коеф.	Відносна похибка
–	ℓ0	Δt	Δℓ	α	αт	δ
–	м	ºС	м	1/ºС	1/ºС	%

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №6.

Тема роботи. Визначення температурного коефіцієнту об’ємного розширення рідини.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити температурний коефіцієнт об’ємного розширення води.

Теоретичні відомості.

Температурний коефіцієнт об’ємного розширення – це фізична величина, яка характеризує теплове об’ємне розширення рідин та газів і яка чисельно дорівнює тому збільшенню об’єму ∆V, яке отримує тіло об’ємом 1м³ при його нагріванні на 1ºС

Позначається: β

Визначальне рівняння: β = ∆V/V₀∆t

Одиниця вимірювання: [β] = 1/ºС.

Можна довести, що для ізотропних матеріалів β ≈ 3α. Наприклад, якщо температурний коефіцієнт лінійного розширення сталі  α = 12·10^–6(1/ºС), то її температурний коефіцієнт об’ємного розширення β ≈ 36·10^–6(1/ºС). Зазвичай  коефіцієнт об’ємного розширення рідини, значно більший за величину відповідного параметру твердого тіла. Наприклад при температурі 20ºС, для води β = 200·10^–6(1/ºС), а для бензину β = 1100·10^–6(1/ºС). Крім цього, з ростом температури, коефіцієнт об’ємного розширення рідини швидко зростає. Наприклад при температурі 40ºС, для води β = 300·10^–6(1/ºС). Тому говорячи коефіцієнт об’ємного розширення рідини варто говорити про його середню величину для певного інтервалу температур.

Обладнання: 1) скляна колба з резиновою пробкою та вставленою в неї скляною трубкою, 2) мірний циліндр (стакан), 3) посудини з холодною та гарячою водою, 4) термометр, 5) лінійка, 6) штангенциркуль.

Хід роботи.

1. За допомогою штангенциркуля або лінійки вимірюємо внутрішній діаметр (d) скляної трубки та визначаємо площу її поперечного перерізу S = πd²/4 в см².
2. Вимірюємо температуру (t₀) холодної води (води кімнатної температури) та за допомогою мірного циліндра вщерть заповнюємо колбу холодною водою, визначаючи при цьому об’єм налитої води (V₀ в см³).
3. В колбу вставляємо резинову пробку з скляною трубкою. При цьому вода частково заповнює трубку. Позначаємо початковий рівень води на трубці.
4. Колбу з водою ставимо в пусту посудину і поступово заповнюємо цю посудину гарячою водою.
5. Після того як в системі вода в колбі – вода в посудині встановиться теплова рівновага (для цього бажано воду в колбі іноді струшувати), вимірюємо температуру теплої води (t) та ту висоту (Δh в см) на яку піднялася вода в трубці.
6. Визначаємо зміну температури води (Δt = t – t₀) та збільшення її об’єму (ΔV = S·Δh).
7. За формулою β = ∆V/V₀∆t, визначаємо температурний коефіцієнт об’ємного розширення води.
8. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
9. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

V0	d	S	Δh	ΔV	t0	t	Δt	β
см3	см	см2	см	см3	ºС	ºС	ºС	1/ºС

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №7.

Тема роботи. Визначення ЕРС, внутрішнього опору та ККД джерела струму.

Мета роботи. Визначити ЕРС, внутрішній опор та ККД наявного джерела струму.

Теоретичні відомості.

ЕРС джерела струму – це фізична величина, яка є енергетичною характеристикою джерела струму і яка дорівнює відношенню тієї роботи яку виконують сторонні сили всередині джерела струму, переміщуючи заряд q між його полюсами, до величини перенесеного при цьому електричного заряду.

Позначається: ℰ

Визначальне рівняння: ℰ = А_ст/q

Одиниця вимірювання: ℰ = Дж/Кл = В,   (вольт).

По суті ЕРС джерела струму, чисельно дорівнює тій максимальній напрузі, яку здатне створити дане джерело: Ɛ = U_max. Це означає, що показання того вольтметру який приєднаний до полюсів джерела, за відсутності струму в зовнішньому колі, практично в точності дорівнюють ЕРС цього джерела.

Внутрішній опір (r) джерела струму та його ККД (η) можна визначити із наступних міркувань. Оскільки, згідно з законом Ома для повного електричного кола: I = Ɛ/(R+r), то r = (Ɛ – U)/I. Оскільки, за визначенням ККД: η = А_кор/А_заг)100%, та враховуючи, що  А_кор = А_ел = U∙q;  A_заг = А_ст = Ɛ∙q, можна записати: η = (U/Ɛ)100%

Таким чином: ЕРС, внутрішній опір та ККД джерела струму, можна визначити за наступними формулами:  Ɛ = U_max;  r = (Ɛ – U)/I;  η = (U/Ɛ)100%. Для визначення U_max, U, I, збираємо електричне коло за схемою:

    

Обладнання: 1) джерело струму, 2) вольтметр, 3) амперметр, 4) реостат, 5) ключ, 6) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. Збираємо електричне коло за вище наведеною схемою.
2. За умови відключення зовнішнього електричного кола (І = 0), фіксуємо показання вольтметра (U_max), які практично дорівнюють ЕРС джерела струму ℇ = U_max.
3. 3. Замикаємо електричне коло і фіксуємо показання вольтметра (U₁) та амперметра (I₁).
4. Змінюємо положення повзунка реостата і фіксуємо нові показання вольтметра (U₂) та амперметра (I₂).
5. Ще раз змінюємо положення повзунка реостата і фіксуємо нові показання вольтметра (U₃) та амперметра (I₃).
6. Для кожної пари показань вольтметра і амперметра, визначаємо внутрішній опір (r = (Ɛ – U)/I) та ККД (η = (U/Ɛ)100%) джерела струму.
7. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
8. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

№ п/п	ЕРС джерела струму	Напруга наджерелі	Сила струмув колі	Внутрішній опір джерела	ККД джерела
–	ℇ = Umax	U	I	r	η
–	В	В	А	Ом	%
1
2
3

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №8.

Тема роботи. Розширення вимірювальних меж наявного вольтметра.

Мета роботи. Отримати практичні навички розширення вимірювальних меж наявного вольтметра.

Теоретичні відомості.

Задача. На базі вольтметра розрахованого на вимірювання напруги до U₁ (наприклад до 6В) виготовили і протестували вольтметр розрахований на вимірювання напруги до U₂ (наприклад до 60В)

   

Рішення.  В процесі вимірювання напруги, вольтметр по суті реагує на той струм що по ньому проходить. Максимально допустиме значення цього струму (значення при якому вольтметр показує ту максимальну напругу на яку він розрахований)  визначається за формулою I_v = U₁/R_v, де

U₁ – та максимальна напруга на яку розраховано наявний вольтметр,

R_v – електричний опір вольтметра (вимірюється омметром).

Ясно, що в ситуації, коли на даний вольтметр подати напругу не 6В, а 60В, то по ньому пройде в 10 разів більший струм і вольтметр вийде з ладу. Для того, щоб цього не сталося, в коло вольтметра (послідовно з ним) потрібно ввімкнути певний додатковий опір (R_д). При цьому, включити таким чином, щоб виконувалось співвідношення  I_v = U₂/(R_v+R_д).

   

I_v = U₁/R_v                                                   I_v = U₂/(R_v+R_д).

Величину додаткового опору можна визначити із умови: сила струму в вольтметрі при подачі напруги 6В (в першому випадку) і 60В (в другому випадку), має бути однаковою. А це означає, що має виконуватись співвідношення: U₁/R_v = U₂/(R_v+R_д). Звідси: R_v+R_д = R_v(U₂/U₁). Або

R_д = R_v(U₂/U₁) – R_v = R_v(U₂/U₁ – 1) = R_v(U₂ – U₁)/U₁.

Таким чином, включивши в коло вольтметра додатковий опір, величина якого визначається за формулою R_д = R_v(U₂ – U₁)/U₁, ми отримаємо прилад, який дозволяє вимірювати напругу в межах від 0 до U₂.

          Обладнання: 1) вольтметр, вимірювальні межі якого потрібно змінити, 2) омметр, 3) батарея опорів, 4) універсальне джерело струму з наявним в ньому контрольним вольтметром, 5) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. За допомогою омметра (або системи джерело струму, вольтметр, амперметр) вимірюємо електричний опір наявного вольтметра (R_v).
2. За формулою R_д = R_v(U₂ – U₁)/U₁, визначаємо величину додаткового опору. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
3. За допомогою батареї опорів (або відповідного реостату), підбираємо опір який дорівнює R_д.
4. Послідовно з наявним вольтметром вмикаємо додатковий опір (R_д).
5. З застосуванням універсального джерела струму з наявним в ньому контрольним вольтметром, тестуємо отриману нами систему вольтметр + додатковий опір.
6. За можливості повторюємо експеримент для іншого вольтметра, або інших вимірювальних меж.
7. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

№ п/п	Фактичний опір вольтметра	Наявна напругавольтметра	Потрібна напруга вольтметра	Величина додаткового опору
–	Rv	U1	U2	Rд
–	Ом	В	В	Ом
1
2

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №9.

Тема роботи. Розширення вимірювальних меж наявного амперметра.

Мета роботи. Отримати практичні навички розширення вимірювальних меж наявного амперметра та визначення довжини шунта.

Теоретичні відомості.

Задача. На базі амперметра розрахованого на вимірювання сили струму І₁ (наприклад до 2А), виготовити і протестувати амперметр розрахований на вимірювання сили струму І₂ (наприклад до 5А).

Оскільки амперметр включається в електричне коло послідовно, то це означає, що увесь струм, в даному випадку І₂ = 5А, має проходити через амперметр розрахований на І₁ = 2А. Ясно, що за даних умов, певну частину струму, а саме І₂ – І₁ = 3А, потрібно пустити в обхід наявного амперметра. З цією метою, паралельно з амперметром включають спеціальний обвідний провідник, який прийнято називати шунтом.

Числове значення електричного опору шунта визначають із наступних міркувань. Оскільки амперметр і шунт з’єднані паралельно, то вони знаходяться під напругою однакової величини U_ш = U_а. Звідси I_шR_ш = I_АU_А. А враховуючи, що I_ш = I₂ – I₁, U_А = R_А∙І₁, можна записати  R_ш = R_А∙І₁/(I₂ – I₁), де R_А – електричний опір наявного амперметра, величина якого є паспортною характеристикою приладу, або вимірюється міліомметром.

Оскільки електричний опір шунта є гранично малим (зазвичай не перевищує 0,1(Ом), то відповідний шунт виготовляють власноруч із провідника відомого матеріалу (а отже відомого питомого опору ρ) та відомого діаметру (а отже і площі поперечного перерізу S = πd²/4). При цьому довжину шунта визначають із загально відомої формули R_ш = ρ·ℓ/S, звідси ℓ = R_ш·S/ρ. Наприклад якщо у вашому розпорядженні є ніхромовий провід (ρ = 1,1(Ом·мм²/м) діаметр якого 1мм (S = πd²/4 = 0,8мм²), то довжина шунта опір якого 0,1(Ом) має бути ℓ = 0,1(Ом)·0,8(мм²)/1,1(Ом·мм²/м) = 0,073м = 7,3см.

Обладнання: 1) амперметр, вимірювальні межі якого потрібно змінити, 2) міліомметр, 3) провід для шунта, 4) універсальне джерело струму, 5) контрольний амперметр, 6) реостат, 7) лінійка 8) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. За допомогою міліомметра вимірюємо електричний опір наявного амперметра (R_А).
2. За формулою R_ш = R_А∙І₁/(I₂ – I₁) визначаємо електричний опір шунта.
3. Знаючи питомий опір (ρ) та площу поперечного перерізу (S) того провідника з якого виготовляємо шунт, визначаємо його робочу довжину ℓ = R_ш·S/ρ, (реальна довжина шунта має бути більшою на ту величину яка піде на з’єднання шунта з затискачами амперметра).
4. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
5. Шунт надійно закріплюємо між затискачами амперметра.
6. Для тестування амперметра збираємо електричне коло: джерело струму → наявний амперметр → контрольний амперметр → реостат → джерело струму.
7. Тестуємо роботу наявного амперметра.
8. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

Опір наявного амперметра	Наявний струм	Потрібний струм	Опір шунта	Питомий опір шунта	Площа шунта	Довжина шунта
RА	I1	I2	Rш	ρ	S	ℓ
Ом	А	А	Ом	Ом·мм2/м	мм2	см

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №10.

Тема роботи. Визначення температурного коефіцієнту опору провідника.

Мета роботи. Визначити температурний коефіцієнт опору міді. Порівняти отриманий результат з табличним значенням відповідного коефіцієнту.

Теоретичні відомості.

Температурний коефіцієнт опору – це фізична величина, яка характеризує залежність опору провідника від його температури і яка визначається за формулою α = (R_t – R₀)/R₀∆t, де

R₀ – опір провідника при температурі t₀,

R_t – опір провідника при температурі t,

∆t = t – t₀ – різниця температур провідника.

Одиниця вимірювання: [α] = 1/ºС.

Температурний коефіцієнт опору провідника визначається експериментально і записується у відповідну таблицю. Наприклад для міді α = 0,0042(1/ºС).

Обладнання: 1) прилад для вимірювання температурного коефіцієнту опору провідника, 2) омметр, 3) термометр, 4) посудина з окропом, 5) холодна вода, 6) штатив.

Хід роботи.

1. В колбу приладу для вимірювання температурного коефіцієнту опору провідника (в цьому приладі мідна проволока намотана на циліндричну основу, а її кінці приєднані до зовнішніх затискачів приладу) заливаємо холодну воду і вимірюємо початкову температуру системи (t₀).
2. До зовнішніх затискачів приладу приєднуємо омметр та вимірюємо початковий опір мідної проволоки (R₀).
3. Колбу приладу з наявним в ньому термометром та приєднаним омметром, опускаємо в посудину з окропом і спостерігаємо за показаннями термометра і омметра.
4. Коли температура в колбі приладу стабілізується, а показання омметра перестануть зростати, фіксуємо кінцеву температуру міді (t) та їй відповідний опір (R_t).
5. За формулою α = (R_t – R₀)/R₀∆t, де ∆t = t – t₀, визначаємо температурний коефіцієнт опору міді.
6. За формулою δ = (|α_т – α|/α_т)100%, де α_т – табличне значення температурного коефіцієнту опору міді, визначаємо відносну похибку досліду.
7. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
8. Виходячи з того, що для металів залежність опору від температури є лінійною, будуємо графік відповідної залежності.
9. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

Температура			Ел. опір		Коефіцієнт опору		Відносна похибка
t0	t	Δt	R	Rt	α	αт	δ
ºС	ºС	ºС	Ом	Ом	1/ºС	1/ºС	%

Розрахунки.

Висновки.

 .

Лабораторна робота №11.

Тема роботи. Визначення електрохімічного еквіваленту речовини.

Мета роботи. Визначити електрохімічний еквівалент міді. Порівняти отриманий результат з табличним значенням відповідного коефіцієнту.

Теоретичні відомості.

Електрохімічний еквівалент речовини – це фізична величина, яка характеризує електрохімічні властивості речовини і яка показує, скільки даної речовини виділиться на електроді при електролізі, якщо через електроліт пройде заряд в один кулон (тобто виділиться за одну секунду при силі струму в один ампер).

Позначається: k

Визначальне рівняння: k = ∆m/It

Одиниця вимірювання: [k] = кг/А∙с

Електрохімічний еквівалент речовини визначається експериментально і записується у відповідну таблицю. Наприклад для міді k = 3,3∙10^–7кг/А∙с.

Для визначення електрохімічного еквіваленту речовини збирається електричне коло за схемою:

Обладнання: 1) електроліт (розчин CuSO ), 2) мідні електроди, 3) джерело постійного струму, 4) амперметр, 5) ключ, 6) реостат, 7) з’єднувальні дроти, 8) механічні терези або електронні ваги, 9) секундомір.

Хід роботи.

1. За допомогою механічних терезів або електронних вагів вимірюємо початкову масу катода (m₀).
2. Збираємо електричне коло за вище вказаною схемою.
3. Замикаємо електричне коло і вмикаємо секундомір. За допомогою реостату встановлюємо потрібну силу струму в електричному колі (зазвичай величина цього струму не має перевищувати 5А).
4. Оскільки в умовах реального експерименту, кількість тієї міді (Δm), що виділяється на катоді є гранично малою (наприклад при І = 3А, за = 900с, Δm ≈ 0,9г), то експеримент має тривати що найменше 15 – 20 хвилин. При цьому потрібно слідкувати за тим, щоб сила струму в електричному колі була незмінною. Адже в процесі проходження струму, умови протікання струму можуть суттєво змінюватися, наприклад за рахунок нагрівання електроліту.
5. Завершаючи експеримент, вимикаємо струм і фіксуємо показання секундоміра.
6. Серветкою акуратно висушуємо катод і вимірюємо його кінцеву масу (m). Визначаємо масу виділеної на катоді міді (Δm = m – m₀).
7. За формулою k = ∆m/It визначаємо електрохімічний еквівалент міді.
8. За формулою δ = (|k_т – k|/k_т)100%, де k_т = 3,3∙10^–7кг/А∙с, визначаємо відносну похибку експерименту.
9. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
10. На основі аналізу отриманих результатів, робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

Маса виділеної на катоді міді	Сила струму в колі	Час проходж струму	Ел. хімічнийеквівалент	Табличне зн.еквіваленту	Відносна похибка
Δm	I	t	k	kт	δ
кг	А	с	кг/А·с	кг/А·с	%

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №12.

Тема роботи. Дослідження залежності опору напівпровідника від температури.

Мета роботи. Експериментально дослідити залежність опору напівпровідника від температури. Побудувати графік цієї залежності.

Теоретичні відомості.

Однією з головних та найбільш універсальних ознак напівпровідності матеріалу є факт того, що з підвищенням температури, опір напівпровідника не повільно збільшується як у металів, а навпаки – швидко зменшується. Даний факт пояснюється тим, що в напівпровідниках кількість носіїв струму є обмеженою і такою, що надзвичайно сильно залежить від температури: чим більша температура напівпровідника, тим більша концентрація носіїв струму в ньому і навпаки.

Обладнання: 1) прилад для залежності опору напівпровідника від температури, 2) омметр, 3) термометр, 4) посудина з холодною водою, 5) електрична плитка, 6) штатив, 7) джерело електричного струму.

Обладнання для даної лабораторної роботи значною мірою аналогічне тому обладнанню, яке було задіяно в лабораторній роботі №10 «Визначення температурного коефіцієнту опору провідника». Суттєва відмінність лише в тому, що в даній лабораторній роботі, в колбі з водою буде не намотаний на циліндричну основу мідний дріт, а досліджуваний напівпровідник. Крім цього, досліджуючи залежність опору напівпровідника від температури, ми будемо нагрівати цей напівпровідник гранично повільно.

Хід роботи.

1. В колбу приладу для дослідження залежності опору напівпровідника від температури заливаємо холодну воду і вимірюємо початкову температуру системи (t₀).
2. До зовнішніх затискачів приладу приєднуємо омметр та вимірюємо початковий опір напівпровідника (R₀).
3. Колбу приладу з наявним в ньому термометром та приєднаним омметром, опускаємо в посудину з холодною водою.
4. Посудину з водою ставимо на електричну плитку невеликої потужності і вмикаємо плитку в електричну мережу.
5. По мірі поступового нагрівання води в колбі, а відповідно і напівпровідника, фіксуємо показання термометра (t) та йому відповідні показання омметра (R_t). Показання термометра бажано фіксувати з певним визначеним інтервалом.
6. 6. Результати вимірювань записуємо в таблицю.
7. За результатами вимірювань, будуємо графік залежності опору напівпровідника від його температури.
8. За результатами даної лабораторної роботи та роботи №10, визначаємо у скільки разів зменшився опір напівпровідника при його нагріванні, скажімо від 20ºС до 60ºС, і у скільки разів збільшився опір мідного провідника при аналогічному нагріванні.
9. За результатами проведених досліджень робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань.

№  п/п	Температуранапівпровідника, t	Електричний опірнапівпровідника, R
–	ºC	Ом
1
2
3
4
5
6
7

Графік залежності опору напівпровідника від його температури.

Висновки.

.

Лабораторна робота №13.

Тема роботи. Дослідження електропровідних властивостей

напівпровідникового діода.

Мета роботи. Дослідити електропровідні властивості діода. Побудувати його вольт-амперну характеристику.

Теоретичні відомості.

Напівпровідниковий діод, це прилад з одним p-n переходом, який забезпечує односторонню електропровідність. Основною властивістю діода є здатність проводити струм в одному напрямку і не проводити в протилежному. Характер цієї односторонньої провідності можна представити у вигляді наступної вольт-амперної характеристики

Обладнання: 1) напівпровідниковий діод, 2) джерело постійного струму, 3) міліамперметр, 4) вольтметр, 5) реостат, 6) ключ, 7) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. Для дослідження електропровідних властивостей діода, збираємо електричне коло за схемою прямого включення діода:

1. Змінюючи положення повзунка реостату, поступово, бажано з визначеним інтервалом, збільшуємо ту напругу яка подається на діод (збільшуємо від 0В до допустимої для даного діода величини). Фіксуємо та записуємо в таблицю відповідні покрокові показання вольтметра та міліамперметра.
2. Змінюємо пряме включення діода на його зворотне включення.
3. Змінюючи положення повзунка реостату, з визначеним інтервалом, збільшуємо ту напругу яка подається на діод (цю напругу можна збільшувати до величини, яка в десять разів перевищує напругу прямого включення діода). Фіксуємо та записуємо в таблицю відповідні покрокові показання вольтметра та міліамперметра.
4. За результатами вимірювань, будуємо вольт-амперну характеристику даного діода, тобто графік залежності сили струму від напруги.
5. На основі аналізу отриманих результатів робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань.

№ п/п	Напруга на діоді, U	Сила струму в діоді, I
–	В	мА
Пряме включення діода
1
2
3
4
5
6
7
8
Зворотне включення діода
1
2
3
4

Вольт-амперна характеристика діода.

Висновки.