1 ο Γενικό Λύκειο Ηρακλείου Αττικής Σχ έτος 2011-2012 Εργαστήριο Φυσικής Υπεύθυνος : χ τζόκας 1 η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ: ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΗ ΚΑΜΠΥΛΗ ΩΜΙΚΟΥ ΑΝΤΙΣΤΑΤΗ ΚΑΙ ΛΑΜΠΤΗΡΑ ΠΥΡΑΚΤΩΣΗΣ Η γραφική παράσταση της τάσης V στα άκρα ενός δίπολου (όπως ενός μεταλλικού αγωγού, ενός λαμπτήρα, κλπ) σε συνάρτηση με την ένταση του ρεύματος Ι που διαρρέει το δίπολο ονομάζεται χαρακτηριστική καμπύλη του δίπολου. Από τη μελέτη της καμπύλης αυτής προκύπτουν χρήσιμα συμπεράσματα για το δίπολο. Η γραφική παράσταση μπορεί να γίνει και αν αλλάξουμε τους άξονες δηλαδή Ι =I(V). Απαραίτητες γνώσεις 1. Ηλεκτρικές πηγές- ηλεκτρικό ρεύμα ( σελ 235-240) ΦΥΣΙΚΗ Α ΛΥΚΕΙΟΥ 2012 2. Όργανα μετρήσεων (αμπερόμετρο, βολτόμετρο, πολύμετρο, σελ 240,242) 3. Νόμοι Kirchhoff ( σελ 241-243) 4. Νόμος Ωμ αντιστάτες ( σελ 244-247) 5. Συνδεσμολογίες αντιστατών (σελ 252-256) Σκοπός της άσκησης είναι να κατασκευαστεί το κύκλωμα 3.2 για να πάρουμε 10 ζευγάρια μετρήσεων V-I. Για να σχεδιάσετε το τελικό κύκλωμα ακολουθήστε προσεκτικά τα παρακάτω βήματα: Βήμα 1 ο : Επιβεβαιώστε ότι ο διακόπτης της πηγής βρίσκεται στο ΟFF. Βήμα 2 ο : Χρησιμοποιώντας δύο καλώδια συνδέστε : το + της πηγής με το ένα άκρο του αντιστάτη και το της πηγής με το άλλο άκρο του αντιστάτη. ( βλέπε κύκλωμα 3.1). Βήμα 3 ο : Συνδέστε το βολτόμετρο στα άκρα του αντιστάτη. Σαν βολτόμετρο χρησιμοποιήστε ένα πολύμετρο. Μετακινήστε τον δείκτη του στην περιοχή V= ( συνεχείς τάσεις). Τοποθετήστε το ένα άκρο ενός καλωδίου στην θέση COM ( γείωση) του πολύμετρου και την άλλη στο ένα άκρο του αντιστάτη. Με ένα άλλο καλώδιο συνδέστε το σημείο V ( δίπλα στο COM) του πολύμετρου με την άλλη άκρη του αντιστάτη. (βλέπε κύκλωμα 3.2) ΚΥΚΛΩΜΑ 3.1 R ΚΥΚΛΩΜΑ 3.2 V R πηγή DC I πηγή DC Βήμα 4 ο : Χρησιμοποιήστε το άλλο πολύμετρο σαν αμπερόμετρο. Μετακινήστε τον κεντρικό μεταγωγό σε μια θέση της περιοχής Α ( Ampere). Το αμπερόμετρο τοποθετείται σε «σειρά» στο κύκλωμα.. Προσέξτε ότι το καλώδιο που στο κύκλωμα 3.1 συνέδεε απευθείας την πηγή με το ένα άκρο του αντιστάτη, τώρα συνδέει την πηγή με τον ένα ακροδέκτη του αμπερόμετρου και ο άλλος ακροδέκτης του αμπερόμετρου συνδέεται με τον αντιστάτη ( ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΟΡΓΑΝΟΥ )
Βήμα 5 ο : Ο αρχηγός της ομάδας καλεί τον υπεύθυνο εκπαιδευτικό για να ελέγξει το κύκλωμα. Βήμα 6 ο : ΜΟΝΟ ΑΝ ΕΧΕΙ ΔΟΘΕΙ ΤΟ ΟΚ ΑΡΧΊΖΕΤΕ τις μετρήσεις Θα προσπαθήσετε να πάρετε 10 μετρήσεις με βήμα περίπου 1V ( 1 χ 10= 10V ) αυξάνοντας σταδιακά και προσεκτικά την τάση της πηγής, σημειώνοντας κάθε ζευγάρι V-I στον πίνακα μετρήσεων που ακολουθεί. ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΩΜΙΚΟ ΚΑΤΑΝΑΛΩΤΗ ΜΕ R = 100Ω Αα μέτρησης Τάση V ( v) Ένταση ρεύματος Ι (mα) Αντίσταση R =V/I 1 η 2 η 3 η 4 η 5 η 6 η 7 η 8 η 9 η 10 η 2 ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ ΓΙΑ ΛΑΜΠΤΗΡΑ ΠΥΡΑΚΤΩΣΗΣ Αφού αντικαταστήσετε τον ωμικό αντιστάτη με λαμπτήρα πυράκτωσης τάσης λειτουργίας 3,8V επαναλάβετε το πείραμα Αυξήστε σταδιακά την τάση της πηγής με βήμα 0,3V ώστε να μην υπερβείτε τα 3,5V ΠΡΟΣΟΧΗ: Ο ΛΑΜΠΤΗΡΑΣ ΚΑΤΑΣΤΡΕΦΕΤΑΙ ΑΝ Η ΤΑΣΗ ΣΤΑ ΑΚΡΑ ΤΟΥ ΥΠΕΡΒΕΙ ΤΗΝ ΤΑΣΗ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ. Αα μέτρησης Τάση V ( v) Ένταση ρεύματος Ι (mα) Αντίσταση R =V/I 1 η 2 η 3 η 4 η 5 η 6 η 7 η 8 η 9 η 10 η Σελίδα 2
3 Επεξεργασία μετρήσεων 1. Σχεδιάστε για κάθε δίπολο την χαρακτηριστική του καμπύλη V=V(I) η Ι= I(V) χρησιμοποιώντας το τετραγωνισμένο χαρτί του φυλλαδίου. 2. Υπολογίστε την αντίσταση του κάθε δίπολου από την χαρακτηριστική του καμπύλη 3. Βρείτε το σφάλμα στη κάθε μέτρηση και εξηγήστε τους λόγους ύπαρξής του 4. Στο δεύτερο πείραμα υποθέστε ότι η μεταβλητή έξοδος 0-20V της πηγής του συνεχούς έχει χαλάσει. Υπάρχει όμως η έξοδος των 8V που είναι σταθερή. Στη διάθεσή σας έχετε πλήθος αντιστατών. Πως θα μπορούσατε να ανάψετε το λαμπάκι χωρίς αυτό να καταστραφεί; Σχεδιάστε το αντίστοιχο κύκλωμα και προτού δοκιμάσετε την τύχη σας ΡΩΤΗΣΤΕ ΤΟΝ ΥΠΕΥΘΥΝΟ για έλεγχο της απάντησής σας. ΕΡΓΑΣΙΑ ΣΤΟ ΣΠΙΤΙ 1. Να τοποθετηθούν πάνω στο σχέδιο του παρακάτω κυκλώματος αμπερόμετρα και βολτόμετρα (με το ηλεκτρονικό τους σύμβολο) στην κατάλληλη θέση και με τη σωστή πολικότητα, για την μέτρηση όλων των ρευμάτων και των διαφορών δυναμικού (τάσεων) στο κύκλωμα που ακολουθεί. Σελίδα 3
4 2. Στο παραπάνω κύκλωμα να υπολογισθούν οι αντιστάσεις μεταξύ 3. των σημείων (Ra-b), (Rb-c) και (Ra-c). Πώς ονομάζεται η αντίσταση (Ra-c); Πόσους τρόπους σύνδεσης αντιστατών διακρίνετε στο κύκλωμα; 4. ΑΠ: Ra-b=...=...Ω, Rb-c=...=...Ω, Rac=...=...Ω, 5. Σε δύο αντιστάτες παράλληλα συνδεδεμένους, η συνολική τους αντίσταση από τα κοινά τους άκρα, είναι μεγαλύτερη ή μικρότερη της μικρότερης από τις δύο αντιστάσεις; Πότε η συνολική αντίσταση είναι ίση με τη μισή τιμή της μιας από τις δύο αντιστάσεις; Δώστε παραδείγματα. Σελίδα 4
2 η ΑΣΚΗΣΗ: Πειραματική απόδειξη των νόμων Kirchhoff ΦΑΣΗ 1 Η : ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ 1 ΟΥ ΝΟΜΟΥ KIRCHHOFF Σχεδιάστε ένα σκαρίφημα του κυκλώματος 1 ( όπως στο σχέδιο 3.1 της προηγούμενης άσκησης) και μετά συναρμολογείστε προσεκτικά το κύκλωμα 1, χωρίς το βολτόμετρο στις άκρες της πηγής 5 R 1 Ι 1 ΚΥΚΛΩΜΑ 1 Ι ολ Ι 2 R 2 Πηγή DC V 1. Καταγράψτε τις ενδείξεις των τριών αμπερομέτρων: Ι 1 =., Ι 2 =., Ι ολ =.. και ελέγξτε αν ισχύει ο πρώτος νόμος του Kirchhoff 2. Συνδέστε το βολτόμετρο στα άκρα της πηγής και υπολογίστε πειραματικά την ολική αντίσταση του κυκλώματος.rολ_πειραματ= =. 3. Με βάση τις τιμές που αναγράφονται πάνω στις αντιστάσεις υπολογίστε θεωρητικά την ισοδύναμη αντίσταση R1,2 που αντιστοιχεί στην παράλληλη σύνδεση των επιμέρους αντιστάσεων 4. Συγκρίνετε την θεωρητική με την πειραματική τιμή. Υπολογίστε το απόλυτο σφάλμα της μέτρησης ΔR =R πραγμ -R πειραμ και το σχετικό(%) = (ΔR/R πραγμ )Χ100 Σελίδα 5
ΦΑΣΗ 2Η : ΕΠΑΛΗΘΕΥΣΗ 2 ΟΥ ΝΟΜΟΥ KIRCHHOFF 6 Συναρμολογείστε προσεκτικά το κύκλωμα του σχήματος 2 ΚΥΚΛΩΜΑ 2 V ολ R1 R 2 V 1 V 2 I ολ Πηγή DC 1. Καταγράψτε τις ενδείξεις των τριών βολτόμετρων: V 1 =., V 2 =., Vολ=.. και ελέγξτε αν ισχύει ο δεύτερος νόμος του Kirchhoff 2. Συνδέστε το αμπερόμετρο στη θέση που βλέπετε στο σχήμα και υπολογίστε πειραματικά την ολική αντίσταση του κυκλώματος.r ΟΛ_ΠΕΙΡΑΜΑΤ = =. 3. Με βάση τις τιμές που αναγράφονται πάνω στις αντιστάσεις υπολογίστε θεωρητικά την ισοδύναμη αντίσταση R 1,2 που αντιστοιχεί στην κατά σειρά σύνδεση των επιμέρους αντιστάσεων 4. Συγκρίνετε την θεωρητική με την πειραματική τιμή. Σελίδα 6