1. laboratórne cvičenie

Transcript

1 1. laboratórne cvičenie Téma: Úlohy: Určenie povrchového napätia kvapaliny 1. Určiť povrchové napätie vody pomocou kapilárnej elevácie 2. Určiť povrchové napätie vody porovnávacou metódou 3. Opísať zaujímavý experiment súvisiaci s vlastnosťami kvapalín. Pomôcky: kapilára, dĺžkové meradlo, mikrometrické meradlo, kadička, injekčná striekačka, klinec (ihla) Postup: 1, Odmeráme vnútorný priemer zvolenej kapiláry, a to tak, že do nej opatrne zasunieme klinec (ihlu) a označíme na nej miesto, kde ju až bolo možné do kapiláry zasunúť. Na tomto mieste odmeráme priemer klinca (ihly) mikrometrickým meradlom. Vnútorný priemer kapiláry odmeráme 5-krát. 2, Vypočítame z daných hodnôt polomery, ktoré zapíšeme do tabuľky a vypočítame priemernú hodnotu polomeru kapiláry. 3, Kapilárnu trubicu upevníme do vertikálnej polohy (obr.1), ponoríme ju do nádoby s kvapalinou, ktorej povrchové napätie určujeme. 4, Odmeráme výšku pri kapilárnej elevácii 5-krát, ale tak, že meradlo umiestnime v rozličných miestach vonkajšieho obvodu kapiláry. Z nameraných hodnôt vypočítajte aritmetický priemer výšky pri elevácii. 5, Odmeráme teplotu kvapaliny a pomocou MFChT vyhľadáme jej hustotu. 6, Vypočítame hodnotu povrchového napätia meranej kvapaliny so vzduchom pri danej teplote. 7, Injekčnú striekačku naplníme 1ml vody (obr.2) a odkvapkávaním zistíme počet kvapiek v 1ml. Toto meranie opakujeme 5-krát, vypočítame tak objem jednej kvapky, zapíšeme tieto hodnoty do tabuľky a vypočítame ich priemernú hodnotu. 8, Odmeráme vnútorný priemer injekčnej striekačky pomocou klinca (ihly) a označíte na nej miesto, kde ju až bolo možné do kapiláry zasunúť. Na tomto mieste odmeráme priemer klinca (ihly) mikrometrickým meradlom. Vnútorný priemer kapiláry odmeráme 5-krát. 9, Vypočítame z daných hodnôt polomery, ktoré zapíšeme do tabuľky a vypočítame priemernú hodnotu polomeru injekčnej striekačky. 10, Vypočítame hodnotu povrchového napätia danej kvapaliny a porovnáme ju s hodnotou v MFChT.

2 Vypracovanie: obr.1 obr.2 Číslo h R merania 10-3 m 10-3 m , , , , ,1 priemerné 9,4 1,078 Číslo V R Počet kvapiek merania m m v 1ml ,28 19, ,24 19, ,34 18, , , priemerné 51, ,273 19,3 σ= h. R. ρ. g 2 Fg = Ft m.g = σ.2πr σ = m. g 2πR Teplota vody je 20 C, pričom hustota vody pri tejto teplote je 998 kg.m 3 σ = m. g = 64, N.m -1 (v MFChT má hodnotu N.m -1 ) 2πR σ= h. R. ρ. g = 50, N.m -1 2 Odchýlka sa teda pohybuje v rozmedzí 8, až 22,

3 Experiment pozorovanie drobného hmyzu ako sa prechádza po vodnej hladine: Túto schopnosť získali vďaka povrchovému napätiu vody. Povrchová vrstva vody (vodná hladina) pripomína pružný povlak či blanku. Hmyz (ako napr. vodomerka obyčajná) sa nôžkami zabára do povrchu vody, no nepotopí sa. Na povrchovú vrstvu molekúl pôsobí sila, ktorá ich udržuje v napätom stave, to spôsobuje pružnosť vodnej hladiny i jej pevnosť. Vďaka povrchovému napätiu je tiež voda schopná vytvárať kvapky. Záver: Úlohou sme dvoma spôsobmi overili hodnotu normálového napätia vody (odchýlke sme sa však nevyhli, zapríčinilo ju nie veľmi presné meranie priemeru kapiláry pomocou klinca i meranie počtu kvapiek v 1ml). Výška kvapaliny v kapiláre je závislá od polomeru kapiláry (súvisí to s hydrostatickým tlakom), preto v užšej kapiláre vystúpi voda vyššie. Normálové napätie tiež závisí od hustoty látky, preto majú jednotlivé typy kvapalín odlišné normálové napätia.

4 2. laboratórne cvičenie Téma: Úlohy: Meranie elektrického napätia a elektrického prúdu. 1. Oboznámiť sa so všetkými údajmi, ktoré o prístroji poskytujú značky na samotnom prístroji. 2. Odmerať elektrické napätie na svorkách stroja pri voľbe rôznych rozsahov. 3. Zistiť veľkosť elektrického prúdu, ktorý prechádza žiarovkou v elektrickom obvode zapojenou podľa schémy. Schéma: - pre meranie elektrického prúdu - pre meranie elektrického napätia Pomôcky: univerzálny merací prístroj, zdroj (4,5 V) žiarovka, spínač, vodiče, rezistor Postup: 1, Kým začneme merať, oboznámime sa so značkami univerzálneho meracieho prístroja. 2, Nakreslíme schému zapojenia, zhromaždíme potrebné prístroje a spojovacie vodiče. Prístroje aj ostatné zariadenia rozmiestnime na pracovnom stole tak, aby zapojenie bolo prehľadné. 3, Časti obvodu, s ktorými pri meraní nebudeme manipulovať, umiestnime ďalej od seba, spínače, regulačné rezistory musia byť naopak ľahko dosiahnuteľné. Meracie prístroje rozložíme tak, aby sme mohli pohodlne a správne čítať výchylky ukazovateľov meradiel. 4, Obvod zapájame podľa nakreslenej schémy. Vychádzame vždy od jednej svorky zdroja, postupne zostavíme základný obvod, až potom pripájame paralelné obvody (napr. voltmeter). Na regulačnom rezistore nastavíme najväčší odpor, na meracích prístrojoch nastavíme najväčší rozsah. Po skontrolovaní obvodu, obvod uzavrieme spínačom. Keď sú výchylky meracích prístrojov veľmi veľké, ihneď zdroj odpojíme a prekontrolujeme spojenie. 5, Keď namerané hodnoty napätia a prúdu zodpovedajú vopred odhadnutým hodnotám, upravíme rozsah meracích prístrojov. Rozsah volíme tak, aby výchylky ručičiek boli dostatočne veľké a aby bolo možné čítať v druhej polovici stupnice. 6, Namerané hodnoty zapisujeme do protokolu o meraní.

5 Vypracovanie: Úloha č.2: rozsah hodnota napätie 60 0,8 U1= 4,8 V 20 2,6 U2= 5,2 V 10 5 U3= 5,0 V Odchýlku merania vypočítame podľa vzťahu: U = δu. U 100 Relatívnu odchýlku merania vypočítame podľa vzťahu: δu = δ p. U j % U U odchýlka merania napätia δu relatívna odchýlka merania napätia U nameraná hodnota napätia U j menovitá hodnota napätia (10 V) δ p trieda presnosti prístroja (1,5) U U δu U1= 4,8 V 0,150 V 3,125 % U2= 5,2 V 0,150 V 2,885 % U3= 5,0 V 0,150 V 3,000 % Vo všetkých troch prípadoch je odchýlka merania približne 0,150 V a relatívna odchýlka merania sa pohybuje okolo 3 %. Úloha č.3: rozsah hodnota prúd ,5 I1= 50 ma 300 1,8 I2= 54 ma 100 5,1 I3= 51 ma Odchýlku merania vypočítame podľa vzťahu: I = δi. I 100 Relatívnu odchýlku merania vypočítame podľa vzťahu: δi = δ p. I j % I

6 I odchýlka merania prúdu δi relatívna odchýlka merania prúdu I nameraná hodnota prúdu I j menovitá hodnota prúdu (10 ma) δ p trieda presnosti prístroja (1,5) I I δi I1= 50 ma 0,015 A 0,300 % I2= 54 ma 0,015 A 0,277 % I3= 51 ma 0,015 A 0,294 % Vo všetkých troch prípadoch je odchýlka merania približne 0,0150 A a relatívna odchýlka merania sa pohybuje okolo 0,3 %. Záver: Na laboratórnych prácach sme sa naučili zapájať jednoduché obvody, pracovať s univerzálnym meracím prístrojom, ktorý pri sériovom zapojení pracoval ako ampérmeter a pri paralelnom zapojení ako voltmeter, odmerali sme veľkosť prúdu, napätia a vypočítali sme odchýlku a relatívnu odchýlku merania, pretože pri meraní napätia a prúdu vznikajú chyby merania, ktoré sa skladajú z chyby metódy, chyby prístroja a chyby pri odčítaní.

7 3. laboratórne cvičenie Téma: Úlohy: Teória: Meranie elektrického odporu rezistoru 1. Odmerať napätie a prúd dvoch rezistorov dvoma rôznymi spôsobmi (tri opakovania). 2. Zostaviť tabuľku pre merané hodnoty. 3. Vypočítať elektrický odpor rezistorov použitím približného vzťahu. 4. Vypočítať aritmetický priemer odporov, odchýlky a porovnať presnosť merania. a, priama metóda je založená na definícii elektrického odporu. Ampérmetrom odmeriame prúd I, ktorý prechádza rezistorom s odporom R a voltmetrom napätie medzi jeho koncami. Výsledok je približný, pretože zaradením oboch meracích prístrojov sa pomery v obvode zmenia. b, substitučná metóda Do elektrického obvodu zaradíme rezistor s neznámym elektrickým odporom a zistíme výchylku na ampérmetri. Potom namiesto neznámeho rezistora zaradíme rezistory s kalibrovanými premennými odpormi, tzv. odporovú dekádu, a meníme na nej odpor od najvyšších hodnôt po najnižšie do okamihu, keď ampérmeter ukáže rovnakú výchylku. Hodnota neznámeho odporu sa potom rovná hodnote odporu z dekády. c, mostíková metóda Touto metódou sa získavajú najpresnejšie výsledky. Princíp zapojenia pri meraní: Po drôte medzi uzlami A, B mostíka sa pohybuje posuvný kontakt do okamihu, až galvanometrom G prestane prechádzať prúd. To znamená, že body D, C majú rovnaký elektrický potenciál a napätia na rezistoroch s odpormi R, Pomôcky: univerzálny merací prístroj, 2 rezistory so stálym odporom (51Ω, 51kΩ), rezistor s meniteľným odporom, spínač, vodiče Postup: 1, Zapojíme prístroje podľa schém a, b raz so stálym rezistorom o veľkosti 51Ω, druhý raz so stálym rezistorom o veľkosti 51 kω. 2, Odmeriame veľkosť napätia a prúdu a hodnoty zapíšeme do príslušnej tabuľky. 3, Vypočítame odpor podľa vzťahu: R = U I 4, Vypočítame aritmetický priemer odporov, odchýlky a porovnáme presnosť jednotlivých meraní.

8 Schéma: schéma - a schéma - b Vypracovanie: 1, Zapojenie so stálym rezistorom o veľkosti 51Ω : a U (V) I (A) R (Ω) 1. 1,2 0,022 54, ,8 0,014 57, ,3 0,042 54,762 b U (V) I (A) R (Ω) ,036 55, ,2 0,072 44, ,6 0, R p (Ω) R 1a 55,483 4,483 1b 49,99 1,003 2, Zapojenie so stálym rezistorom o veľkosti 51kΩ : a U (V) I (A) R (kω) 1. 4,3 0, , ,4 0, ,6 0, b U (V) I (A) R (Ω) , ,8 0, ,4 0, ,333 R p (kω) R 2a 19,848 31,152 2b 21,778 29,222 Záver: Na základe hodnôt získaných pomocou pokusu sme zistili, že pre malé i veľké odpory je najlepšie zapojenie podľa schémy b.

9 4. laboratórne cvičenie Téma: Úlohy: Závislosť svorkového napätia zdroja od elektrického prúdu v obvode 1. Zistite závislosť svorkového napätia od prúdu 2. a, zostrojte graf funkcie U = f (I) 3. b, určite vnútorný odpor zdroja Doplňujúca úloha: Vypočítajte, aký prúd by prechádzal zdrojom pri skrate. Teória: svorkové napätie U = Ue Ri I U e elektromotorické napätie (9 V) R i vnútorný odpor zdroja Δ U - priemer veľkostí napätí Δ I priemer veľkostí prúdov Ri = Δ U Δ I Pomôcky: batéria, ampérmeter, voltmeter, reostat, 2 spínače, spojovacie vodiče Postup: 1, Zostavíme elektrický obvod podľa danej schémy. Oba spínače S 1 a S 2 necháme rozpojené. 2, Na ampérmetri a voltmetri nastavíme maximálne rozsahy, na reostate maximálny odpor. 3, Po kontrole zapojenia zapneme oba spínače. Prispôsobíme rozsahy meracích prístrojov hodnotám prúdu a napätia. 4, Pri rozopnutom spínači S 2 odčítame na voltmetri napätie nezaťaženého zdroja a spínač S 2 opäť zapneme. 5, Postupne znižujeme odpor reostatu a po každom nastavení posuvného kontaktu reostatu odčítame hodnoty prúdu a napätia. Pri meraní by prúd nemal prekročiť hodnotu 0,3 A. Namerané hodnoty zapíšeme do tabuľky. Celkovo meriame 10-krát. 6, Reostatom znižujeme prúd na minimum, vypneme spínače a odpojíme zdroj napätia. Schéma:

10 Vypracovanie: U [V] I [ma] 1 2, , , , , , , ,2 57 Δ U Δ I R i 4,1 V 103,3 ma 39,69 Ω Vnútorný odpor zdroja R 1 je 39,69 Ω. Graf závislosti svorkového napätia od prúdu U (V) Závislosť U = f(i) I (ma) Doplňujúca úloha: Ku skratu (resp. spojeniu na krátko) dochádza v prípade, ak je vonkajší odpor takmer nulový (preto aj U = 0V, ručička voltmetra pri skrate klesala až na nulu), a prúd v obvode dosiahne najväčšiu možnú hodnotu: Imax = Ue Ri Krátkodobým skratovaním sme dokázali veľkosť maximálneho prúdu 300 ma. Záver: Laboratórnym cvičením sme dokázali závislosť svorkového napätia elektrického prúdu v obvode. Čím je elektrický prúd väčší, tým sa ižuje veľkosť svorkového napätia.

11 5. laboratórne cvičenie Téma: Úlohy: Určenie charakteristiky polovodičovej diódy 1. Zostavte tabuľku nameraných hodnôt. 2. Zostrojte charakteristiku polovodičovej diódy (graf). 3. Vysvetlite výsledky meraní. Povedzte možnosti praktického využitia polovodičovej diódy. 4. Z priamkovej časti charakteristiky určte odpor polovodičovej diódy v priepustnom smere. Schéma: - pre meranie elektrického prúdu - pre meranie elektrického napätia Pomôcky: polovodičová dióda (najlepšie germániová), zdroj jednosmerného napätia, miliampérmeter, voltmeter, potenciometer, spínač, ochranný rezistor (napr. 100Ω), spojovacie vodiče Postup: a, Určenie charakteristiky diódy v priepustnom smere: 1, Zostavte elektrický obvod podľa schémy. Spínač nechajte nezopnutý. 2, Posuvný kontakt potenciometra nastavte do polohy zodpovedajúcej nulovému napätiu na dióde. Na miliampérmetri nastavte maximálny rozsah, rozsah voltmetra prispôsobte napätiu zdroja. 3, Po kontrole zapojenia zapnite spínač a prispôsobte rozsahy prístrojov meraným hodnotám prúdu a napätia. 4, Posuvným kontaktom potenciometra zvyšujte postupne prúd prechádzajúci diódou a pri každej polohe kontaktu potenciometra odčítajte údaje meracích prístrojov a zapíšte ich do tabuľky. Merajte asi 10-krát. Neprekročte maximálny dovolený prúd! 5, Potenciometrom zmenšite napätie na dióde, vypnite spínač a odpojte zdroj napätia.

12 a, Určenie charakteristiky diódy v závernom smere: 1, Zostavte elektrický obvod podľa schémy. Pozor, polarita zdroja vzhľadom na diódu je teraz opačná. Spínač nechajte nezopnutý. 2, Posuvný kontakt potenciometra nastavte do polohy zodpovedajúcej nulovému napätiu na dióde. Na miliampérmetri nastavte maximálny rozsah, rozsah voltmetra prispôsobte dovolenému napätiu na dióde. 3, Zapnite spínač a posuvným kontaktom potenciometra opatrne nastavte napätie na dióde. Rozsahy meracích prístrojov prispôsobte meraným hodnotám prúdu a napätia. 4, Potenciometrom zvyšujte postupne napätie na dióde a pri každej polohe posuvného kontaktu potenciometra odčítajte údaje na meracích prístrojoch a zapíšte ich do tabuľky. Neprekročte maximálne dovolené záverné napätie diódy! 5, Potenciometrom zmenšite napätie na dióde, vypnite spínač a odpojte zdroj napätia. Vypracovanie: Úloha č. 1: a, Hodnoty pre zapojenie diódy v priepustnom smere: Poradové číslo I / ma U / V , , , , , , , b, Hodnoty pre zapojenie diódy v závernom smere: - pri rôznych hodnotách napätia bola veľkosť prúdu takmer nulová Úloha č. 2: I [A] Volt-ampérová charakteristika polovodičovej diódy 0 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 U [V] I [A] 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 Volt-ampérová charakteristika polovodičovej diódy 0 0,4 0,8 1,2 1,6 2 2,4 2,8 3,2 3,6 4 4,4 4,8 5,2 5,6 U [V]

13 Úloha č. 3: Rozdiel hodnôt prúdu v závernom smere je spôsobený zámenou polarity vonkajšieho zdroja napätia zväčší sa intenzita elektrického poľa prechodu PN. To vyvolá pohyb väčšinových voľných častíc smerom od rozhrania, takže sa oblasť ochudobnená o voľné častice s nábojom ešte viac rozšíri. Elektrický odpor prechodu PN sa podstatne zväčší, preto prechodom PN prechádza veľmi malý prúd vyvolaný iba menšinovými voľnými časticami. Praktické využitie polovodičových diód je veľmi rozsiahle. V elektrotechnike sa najčastejšie používajú plošné diódy. Používajú sa na usmernenie striedavého prúdu (napr. v elektrických lokomotívach); na premenu vysokofrekvenčných signálov na nízko frekvenčné, takže sú využívané v oblasti telekomunikácií, prenosu informácií a elektrotechnike. Úloha č. 4: R = ΔU ΔI R = 3,02 0,0562 R = 53,74Ώ Odpor polovodičovej diódy v priepustnom smere je 53,74Ώ. Záver: Na laboratórnych prácach z fyziky sme porovnávali namerané hodnoty prúdu pri zapojení polovodičovej diódy v priepustnom a závernom smere, ktoré sme získali prostredníctvom pokusu. Oboznámili sme sa s praktickým využitím diódy i s príčinami rozdielnych nameraných hodnôt.