بسم اهلل الرحمن الرحیم آزمایشگاه فیزیک )2( shimiomd

Transcript

1 بسم اهلل الرحمن الرحیم آزمایشگاه فیزیک )( shimiomd خواندن مقاومت ها. بررسی قانون اهم برای مدارهای متوالی. 3. بررسی قانون اهم برای مدارهای موازی بدست آوردن مقاومت مجهول توسط پل وتسون 4. بدست آوردن مقاومت مجهول توسط پل تار 5. اندازه گیری دمای رشته های درون المپ 6.

2 آزمایش شماره ( خواندن مقاومت ها ) shimiomd هدف آزمایش : هدف از این آزمایش فراگیری چگونگی خواندن یک مقاومت است که بتوان از مقاومت مناسب در جای مناسب استفاده کرد. موارد مصرفی : برای این آزمایش تنها به تعدادی مقاومت نیاز داریم که آنها را بخوانیم. شرح کار : هر مقاومت در روی خود دارای 4 خط رنگی میباشد که توسط کارخانه تولید کننده آن ایجاد میشود. این خطوط رنگی نشان دهنده میزان مقاومت میباشد که توسط شرکت سازنده مقاومت و طی آزمایشات مختلف تعیین شده است.

3 هر رنگ نیز معرف عددی است که به آن نسبت داده شده که این قانون نسبت دادن رنگ ها به اعداد در تمام مقاومت ها رعایت میشود. این خطوط شامل رنگ های زیر میباشند : رنگ عدد رنگ عدد 0 سیاه قهوه ای 3 قرمز نارنجی 5 4 زرد سبز 7 6 آبی بنفش 9 8 خاکستری سفید عالوه بر رنگ های باال دو رنگ دیگر نیز بر روی مقاومت ها به چشم میخورد که معرف میزان خطای اندازه گیری در مقاومت ها میباشد. این دو رنگ شامل رنگ های زیر میباشند : طالیی )خطای 5 درصد ) نقره ای )خطای 0 درصد( این دو رنگ طالیی و نقره ای با فاصله ای مناسب از رنگهای دیگر قرار میگیرند تا کامال مشخص باشند.

4 طریقه خواندن یک مقاومت : برای خواندن یک مقاومت ابتدا به رنگهای آن نگاه میکنیم و رنگ نقره ای یا طالیی آن را می یابیم. مقاومت را طوری نگه میداریم که رنگ نقره ای یا طالیی آن در سمت راست قرار گیرد و سپس شروع به خواندن مقاومت میکنیم. طالیی سبز قرمز آبی در شکل باال شمای کلی یک مقاومت و طریقه درست گرفتن مقاومت نشان داده شده است. همانطور که دیده میشود رنگ طالیی یا نقره ای )در اینجا طالیی( در سمت راست قرار گرفته و رنگها به ترتیب از چپ به راست آبی قرمز و سبز هستند. برای خواندن مقاومت به جای هر رنگ عدد متناسب با آن را از جدول خوانده و قرار میدهیم. به این صورت که دو اعداد مربوط به دو رنگ اول را بصورت ارقام جداگانه )مانند 3 و...( قرار داده و عدد مربوط به رنگ سوم را به عنوان توانی از 0 قرار میدهیم )مانند 3 0(. عدد مربوط به رنگ چهارم که همان رنگ طالیی یا نقره ای است را نیز به نتیجه اضافه و از آن کم میکنیم تا خطای محاسبات نشان داده شود. بطور مثال در شکل باال : آبی = 6 6* 0 5 قرمز = 5% 6. MΩ 5% 3

5 سبز = 5 طالیی = 5 % 4

6 ردیف خروجی آزمایش : از آزمایش به عمل آمده نتایج و داده های زیر به دست آمد. نتیجه تقریبی محاسبات رنگ چهارم رنگ سوم رنگ دوم رنگ اول نقره ای قرمز قرمز زرد 4* 0 0% 4. KΩ 0% طالیی قرمز بنفش قرمز 7* 0 5%.7 KΩ 5% 3 طالیی قهوه ای خاکستر ی آبی 68* 0 5% 680 Ω 5% 4 طالیی سیاه قرمز خاکستر ی 8* 0 0 5% 8 Ω 5% 5 طالیی بنفش سیاه قهوه ای 0* 7 0 5% 00 MΩ 5% 6 طالیی قهوه ای بنفش قرمز 7* 0 5% 70 Ω 5% 7 طالیی قهوه ای سیاه قهوه ای 0* 0 5% 00 Ω 5% 8 طالیی قهوه ای سبز قهوه ای 5* 0 5% 50 Ω 5% 9 طالیی قرمز قرمز قرمز * 0 5%. KΩ 5% 5

7 ( قانون اهم ) هدف آزمایش : هدف این آزمایش یافتن رابطه میان مقاومت )( شدت جریان )I( و اختالف پتانسیل )( میباشد. موارد مصرفی : دو عدد مقاومت سیم های رابط 3. مولد.. شرح کار : ابتدا مقاومت ها را توسط سیم های رابط به مولد متصل میکنیم و به آن جریان میدهیم تا ولتاژ به دست آید )یا بالعکس( و اطالعات را ثبت میکنیم. I I نمودار ولتاژ شدت جریان ) I( را برای هر مقاومت رسم میکنیم. مقاومت برابر شیب تقریبی خط عبور کننده از نقاط برخورد اختالف پتانسیل ها و شدت جریانها است. 6

8 ها مقاومت) ( ا پتانسیل ختالف) ( جریانشدت) I ( خروجی آزمایش : همانطور که گفته شد مقاومت برابر است با شیب تقریبی نمودار رسم شده. بنابراین : tan I I I

9 متوالی آزمایش شماره ( بستن مقاومت ها ) shimiomd هدف آزمایش : هدف از این آزمایش اثبات این موضوع است که در جریان ثابت اختالف پتانسیل مجموع چند مقاومت که بصورت متوالی با هم بسته شده اند برابر است با مجموع اختالف پتانسیل دو سر هر کدام از مقاومت ها در همان جریان. موارد مصرفی :. دو عدد مقاومت. سیم های رابط 3. مولد 4. ولت متر شرح کار : در مقاومت های متوالی که یک سر مقاومت بدون واسطه و تنها توسط سیم به مقاومت دیگر وصل میشود جریان یکسانی از تمام مقاومت عبور میکند و اختالف پتانسیل دو سر 8

10 مجموعه مقاومت های متوالی برابر با مجموع تک تک اختالف پتانسیل های دو سر هر کدام از مقاومت ها است. طبق قانون اهم داریم : = *I = n I*T = I* + I* + + I*n پس از فاکتور گرفتن از I و حذف آن از دو طرف معادله داریم : T = n که T همان مقاومت معادل است. در یک جریان ثابت )مثال 0.05A( مجموع اختالف پتانسیل های دو سر مقاومت ها برابر است با اختالف پتانسیل دو سر مجموع مقاومت ها که بصورت سری )متوالی( بسته شده اند. برای انجام آزمایش ابتدا دو مقاومت را بصورت متوالی به یکدیگر میبندیم و آنها را با جریان ثابت به مولد متصل میکنیم و اختالف پتانسیل دو سر آنها را توسط ولت متر اندازه میگیریم. سپس مقاومت ها را از یکدیگر جدا کرده با همان جریان ثابت اختالف پتانسیل تک تک آنها را بدست می آوریم. که در نتیجه اختالف پتانسیل دو سر مقاومت های متوالی باید برابر مجموع اختالف پتانسیل های تک تک مقاومت ها باشد. خروجی آزمایش : T = + سری 9

11 I = 0.05A = 0 v : = 3.6 v ثابت I = 0.05A : = 5.3 v = + = 9. v 0 v دیده میشود که قانون اهم در اینجا با تقریب 0.8 v درست میباشد. این تقریب به خاطر خطای اندازه گیری میباشد که ممکن است توسط انسان یا وسایل غیر ایده آل صورت گیرد. در زیر شمای دو مقاومت که بصورت متوالی بسته شده است نشان داده شده است :

12 آزمایش شماره ( 3 موازی بستن مقاومت ها ) shimiomd هدف آزمایش : هدف از این آزمایش اثبات این موضوع است که در اختالف پتانسیل ثابت شدت جریان عبوری از مجموع چند مقاومت که بصورت موازی با هم بسته شده اند برابر است با مجموع شدت جریانهای عبوری از هر کدام از مقاومت ها در همان ولتاژ. موارد مصرفی :. دو عدد مقاومت. سیم های رابط 3. مولد 4. آمپر متر شرح کار :

13 در مقاومت های موازی که دو سر مقاومت ها بدون واسطه و تنها توسط سیم به دو سر مقاومت دیگر وصل میشود اختالف پتانسیل یکسانی در دو طرف هر یک از مقاومت ها وجود دارد و شدت جریان عبوری از دو سر مجموعه مقاومت های موازی برابر با مجموع تک تک شدت جریان های عبوری از دو سر هر کدام از مقاومت ها است. طبق قانون اهم داریم : * I I I T I I... I n T... n پس از فاکتور گرفتن از و حذف آن از دو طرف معادله داریم :... T n که T همان مقاومت معادل است. در یک ولتاژ ثابت )مثال ( v مجموع شدت جریان های عبوری از دو سر مقاومت ها برابر است با شدت جریان عبوری از دو سر مجموع مقاومت ها که بصورت موازی بسته شده اند. برای انجام آزمایش ابتدا دو مقاومت را بصورت موازی به یکدیگر میبندیم و آنها را با ولتاژ ثابت به مولد متصل میکنیم و جریان دو سر آنها را توسط آمپر متر اندازه میگیریم. سپس مقاومت ها را از یکدیگر جدا کرده با همان ولتاژ ثابت شدت جریان عبوری از تک تک آنها را بدست می آوریم.

14 که در نتیجه شدت جریان عبوری از دو سر مقاومت های موازی باید برابر مجموع شدت جریان های عبوری از تک تک مقاومت ها باشد. T خروجی آزمایش : موازی = v I = 0.04A : I = 0.03A : I = 0.0A ثابت = v I I I دیده میشود که قانون اهم در اینجا با خطای 0.0A درست میباشد. در زیر شمای کلی بستن مقاومت ها بصورت موازی نمایش داده شده است : 3

15 آزمایش شماره ( 4 پل وتسون ) shimiomd هدف آزمایش : هدف از این آزمایش یافتن مقاومت مجهول توسط روشی به نام پل وتسون است که در سال 843 میالدی جان وتسون این طرح را برای محاسبه مقاومت مجهول ارائه داد. موارد مصرفی :. مولد. رئوستا )مقاومت متغیر( دو عدد مقاومت با مقاومت معلوم و یک مقاومت مجهول )برای این کار میتوانیم سه مقاومت بگیریم و یکی را به عنوان مقاومت مجهول استفاده کنیم.( 4. گالوانومتر 5. سیم های رابط.3 4

16 6. ولت متر 7. آمپر متر شرح کار: شکل مدار پل وتسون مانند شکل زیر است : دو سر مقاومت های و به هم وصل است. بنابراین این دو مقاومت در سر A دارای پتانسیل یکسانی هستند. و همچنین دو سر مقاومت های 3 و x نیز در B به هم متصل هستند. بنابر این این دو مقاومت نیز در سر B دارای پتانسیل یکسانی هستند. مقاومت 3 یک مقاومت متغیر )رئوستا( بوده و x نیز مقاومت مجهول ما میباشد. اگر با کم و زیاد کردن مقاومت متغیر )3( عددی که گالوانومتر نشان میدهد صفر شود میتوان نتیجه گرفت که در پتانسیل در نقاط C و D برابر میباشد و اختالف پتانسیل بین این دو نقطه برابر صفر شده است. پس با x و همچنین با 3 متوالی میشوند. )میدانیم که در مقاومتهایی که بصورت متوالی بسته میشوند جریان های برابری عبور میکند.( از C = D و همچنین از اینکه پتانسیل دو مقاومت و برابر است میتوان نتیجه گرفت که اختالف پتانسیل دو سر مقاومت های و برابر است. یعنی : I AC = AD 5

17 و همچنین از C = D و از اینکه پتانسیل دو مقاومت 3 و x برابر است میتوان نتیجه گرفت که اختالف پتانسیل دو سر مقاومت های 3 و x نیز با هم برابر است. یعنی II BC = BD : با توجه به قانون اهم روابط زیر را داریم : AC AD I I * * BC BD I I * X * 3 و با توجه به روابط I و II میتوانیم به این نتیجه برسیم که : I * و I * X I * 3 I * 3 X که با تقسیم این دو رابطه به هم و از آنجا داریم : 3 X * اندازه مقاومت مجهول تنها کافیست که با تغییر مقاومت متغیر جریان گذرنده از گالوانومتر را صفر کنیم و سپس میزان مقاومت متغیر را بدست آوریم. خروجی آزمایش : معلومات مساله = 5 Ω = 0 Ω 6

18 در اینجا با تغییر دادن مقاومت متغیر جریان گذرنده از گالوانومتر تقریبا برابر صفر شده است. سپس مقدار مقاومت متغیر را اندازه میگیریم. 7

19 در اینجا با دادن ولتاژ مشخص به مقاومت متغیر شدت جریان عبوری از آن را اندازه گیری میکنیم. با توجه به قانون اهم و رابطه میتوان برای هر جفت داده ولتاژ I و شدت جریان یک مقاومت بدست آورد. در آخر متوسط مقاومت ها مقاومت کل ما را مشخص میکند. () I (A) مقاومت متغیر 50 I X 3 50 * *

20 آزمایش شماره ( 5 پل تار ) shimiomd هدف آزمایش : هدف از این آزمایش نیز مانند آزمایش پل وتسون به دست آوردن مقاومت مجهول است. موارد مصرفی : مولد. گالوانومتر. 3. سیم های رابط مقاومت متغیر 4. مقاومت مجهول 5. ولت متر آمپر متر شرح کار : شکل مدار پل تار مانند شکل زیر است : 9

21 طرز کار پل تار همانند پل وتسون )آزمایش شماره 4( میباشد. با این تفاوت که در پل تار به جای استفاده از مقاومت های و 3 از یک سیم L استفاده کرده ایم که به جای نسبت 3 میتوان از نسبت طول آنها یعنی L L 3 استفاده کرد. در واقع سیم L به دو قسمت L شده است که مقاومت هر تکه از سیم از رابطه * بدست می آید که در آن ρ ثابت A ویژه مقاومت و L طول سیم و A نیز سطح مقطع سیم میباشد که در اینجا چون L و L3 از یک جنس و از یک نوع میباشند بنابراین A و ρ برای هر دو آنها یکی میباشد. بنابراین وقتی نسبت اندازه مقاومت این دو تکه سیم را مینویسیم این نسبت به نسبت طول دو سیم تبدیل میشود.

22 3 ولتاژ منبع را روی عدد خاصی قرار میدهیم و مقاومت متغیر )در اینجا ( را آنقدر تغییر میدهیم تا میزان جریان عبوری از گالوانومتر برابر صفر شده و گالوانومتر عدد صفر را نمایش دهد. سپس مقدار مقاومت متغیر را بدست آورده و آنرا در رابطه زیر قرار میدهیم تا مقاومت مجهول بدست آید : * L x L خروجی آزمایش :

23 آزمایش شماره ( 6 اندازه گیری دمای رشته درون المپ ) هدف آزمایش : هدف از این آزمایش همانطور که از اسمش پیداست بدست آوردن دمای رشته های درون یک المپ است. موارد مصرفی : یک عدد المپ. سیم های رابط. 3. مولد ولت متر 4. آمپر متر 5. دما سنج 6..7 رابطه شرح کار : در این آزمایش باید دمای رشته های درون المپ را به دست آوریم که این کار را توسط ) ( انجام میدهیم. که در آن α مقاومت ویژه مقاومت رشته های درون المپ قبل از روشن کردن نیز مقاومت رشته های درون المپ بعد از روشن کردن آن و Δθ نیز تغییرات دما میباشد که داریم : که در آن θ دمای رشته های درون المپ قبل از روشن کردن بوده که برابر دمای محیط است و θ نیز دمای رشته های درون المپ بعد از روشن کردن آن میباشد.

24 برای این کار ابتدا دمای محیط را اندازه میگیریم. سپس مقاومت المپ خاموش را بدست آورده و α نیز مشخص است. المپ را به ولتاژ های مشخصی متصل میکنیم تا جریان عبوری از المپ بدست آید. با این کار میتوان مقاومت رشته های درون المپ روشن را بدست آورد. سرانجام داده های مساله را وارد رابطه میکنیم تا جواب مساله که همان θ یا دمای رشته های درون المپ است به دست آید. 3

25 خروجی آزمایش : : معلومات مساله 5C سپس المپ را به ولتاژ های متفاوت وصل میکنیم تا جریان ها بدست آیند I I I 3 0. A A A مقاومت ها را از رابطه ( =*I قانون اهم ) بدست می آوریم و سپس مقاومت معادل را که معادل مجموع مقاومت های بدست آمده تقسیم بر تعداد دفعات آزمایش است را محاسبه میکنیم ( ) ( ).03C C 4