Лабораторная работа № 4 «Измерение электрического напряжения и сопротивления проводника»

Омметра нет, а сопротивление резистора определить нужно. Какие две величины можно измерить, чтобы найти сопротивление? Сегодня ответом будет не готовое число, а собственный лабораторный протокол.

Безопасность. Работай только с исправным учебным источником низкого напряжения. Все соединения изменяй при разомкнутом ключе. Не соединяй полюса источника напрямую и никогда не подключай амперметр параллельно источнику. Если стрелка уходит за шкалу или влево, появились запах, нагрев или искрение — немедленно разомкни ключ и сообщи учителю.

Цель и оборудование

Цель работы — научиться измерять электрическое напряжение и определять сопротивление проводника по измеренным напряжению и силе тока.

На пару нужны: учебный источник постоянного напряжения, ключ, резистор с известным номиналом, низковольтная лампа на подставке, амперметр, вольтметр и соединительные провода.

В отчёте должны появиться фактические показания вашего комплекта. Тренировочные шкалы ниже учат способу отсчёта, но не являются результатом опыта.

Шаг 1. Изучи вольтметр

Перед включением прибора запиши:

1. единицу на шкале;
2. предел измерения;
3. цену деления;
4. положение нулевой отметки;
5. выбранные клеммы и полярность.

Цену деления находят так же, как у любого аналогового прибора:

$$c=\frac{x_2-x_1}{n},$$

где $x_1$ и $x_2$ — соседние подписанные значения, а $n$ — число промежутков между ними.

На тренировочной шкале между $2\ \text{В}$ и $3\ \text{В}$ десять промежутков:

$$c=\frac{3-2}{10}=0{,}1\ \text{В}.$$

Если стрелка стоит на седьмом малом делении после $2\ \text{В}$, тренировочный отсчёт равен $2{,}7\ \text{В}$. Реальное показание считывай, глядя на шкалу перпендикулярно, чтобы уменьшить ошибку параллакса.

Шаг 2. Выбери правильную схему

Сначала запиши номер выбранной схемы и объясни путь тока. Только после этого прокручивай ниже и проверяй ответ.

Амперметр измеряет ток, проходящий через исследуемый участок, поэтому его включают последовательно. Вольтметр сравнивает потенциалы концов участка, поэтому его подключают параллельно именно этому участку.

Проверь до замыкания ключа:

• амперметр находится в разрыве основной цепи;
• вольтметр соединён с двумя концами резистора;
• «плюс» каждого прибора обращён к «плюсу» источника;
• диапазоны подходят для ожидаемых значений;
• ключ разомкнут, источник подключается последним.

Почему сопротивление вольтметра должно быть большим? Тогда через его ветвь проходит малый ток и подключение мало изменяет режим исследуемого участка. Сопротивление амперметра, наоборот, делают малым, чтобы он мало изменял ток основной цепи.

Шаг 3. Измерь сопротивление резистора

После проверки схемы учителем кратковременно замкни ключ. Сними показания $I$ и $U$, не меняя режим цепи, затем сразу разомкни ключ.

Для того же участка и того же режима вычисли:

$$R=\frac{U}{I}.$$

Единица результата:

$$1\ \text{Ом}=1\ \frac{\text{В}}{\text{А}}.$$

Не записывай больше знаков, чем позволяют исходные измерения. Для аналогового прибора разумная первая оценка границы отсчёта — около половины цены деления. На этом уроке не требуется формула распространения погрешностей: важно назвать цену деления, разумно округлить $R$ и объяснить возможное расхождение с номиналом.

Сравни вычисленное сопротивление с маркировкой или значением, которое сообщил учитель. Результаты могут не совпасть точно из-за ограниченной точности отсчёта, допуска резистора, сопротивления контактов и проводов. Не подгоняй показания под номинал.

Шаг 4. Исследуй лампу

Разомкни ключ и отключи источник. Замени резистор лампой, снова получи допуск учителя и только затем сними пару показаний $U$ и $I$ в одном включении. Сразу разомкни ключ и вычисли сопротивление в исследованном рабочем режиме:

$$R_{\text{раб}}=\frac{U}{I}.$$

Если на цоколе указаны номинальные напряжение и ток, рассчитай сопротивление в номинальном режиме:

$$R_{\text{ном}}=\frac{U_{\text{ном}}}{I_{\text{ном}}}.$$

Сначала сравни $R_{\text{раб}}$ и $R_{\text{ном}}$ и запиши собственную гипотезу. Затем проверь объяснение: если рабочий и номинальный режимы различаются, различаются температура металлической нити и её сопротивление. Холодную нить в этой работе отдельно не измеряют. Лампу после работы не трогай: она может быть горячей.

Протокол лабораторной работы

Заполни таблицу своими данными.

Краткий вывод должен отвечать на четыре вопроса:

1. Как включают амперметр и вольтметр?
2. Какие $U$ и $I$ измерены для каждого объекта?
3. Как получено сопротивление и в какой единице записано?
4. Совпадает ли результат с ориентиром в пределах точности и чем объяснить расхождение?

Контроль качества

Перед сдачей отчёта обменяйтесь протоколами и проверьте:

• есть схема и оба прибора подключены правильно;
• записаны пределы и цены деления;
• у каждого показания есть единица;
• $U$ и $I$ относятся к одному объекту и одному режиму;
• сопротивление вычислено по $R=U/I$;
• округление не создаёт ложной точности;
• вывод опирается на собственные измерения, а не на тренировочный пример.

Частые ошибки

Проверь себя

1. Почему вольтметр подключают параллельно, а амперметр — последовательно?
2. Между отметками $0$ и $3\ \text{В}$ тридцать промежутков. Чему равна цена деления?
3. В тренировочном примере $U=2{,}4\ \text{В}$, $I=0{,}30\ \text{А}$. Найди $R$.
4. Почему нельзя переставлять провода при замкнутом ключе?
5. Почему измеренное сопротивление лампы может отличаться от сопротивления, рассчитанного по номинальным данным?
6. Какие две проверки показывают, что записанный результат не обладает ложной точностью?

Итог

• Амперметр включают последовательно, вольтметр — параллельно исследуемому участку.
• Сопротивление определяют по измерениям одного режима: $R=U/I$.
• Результат записывают в омах и округляют с учётом точности приборов.
• С номиналом сравнивают честно: расхождение описывают, а числа не подгоняют.
• Сопротивление нити лампы зависит от её температуры.

Ответы

1. Амперметр должен пропускать тот же ток, что и участок; вольтметр измеряет напряжение между двумя концами участка.

$$c=\frac{3-0}{30}=0{,}1\ \text{В}.$$

$$R=\frac{2{,}4}{0{,}30}=8{,}0\ \text{Ом}.$$

Это только тренировочный расчёт, не результат лабораторной работы. 4. Изменение работающей цепи может вызвать короткое замыкание, перегрузку прибора или искрение. Сначала размыкают ключ и отключают источник. 5. Измеренный и номинальный режимы могут иметь разные напряжение, ток и температуру нити; сопротивление металлической нити зависит от температуры. 6. У показаний указаны цена деления и единицы; число знаков в $R$ не превышает разумную точность исходных $U$ и $I$.