Методические указания по проведению практической работы «Расчет электродинамических величин и электрических цепей» по учебной дисциплине Физика

УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ ЛИПЕЦКОЙ ОБЛАСТИ
ГОАПОУ «Липецкий металлургический колледж»

Методические указания по проведению практических работ
по дисциплине «Физика»


Раздел «Электродинамика»

Практическая работа №5

«Расчет электродинамических величин и электрических цепей»



для специальности (группы специальностей):1 курса
13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям),
15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям),
15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям),
22.02.01 Металлургия черных металлов
22.02.05 Обработка металлов давлением
09.02.01 Компьютерные системы и комплексы
09.02.04 Информационные системы (по отраслям)
09.02.05 Прикладная информатика (по отраслям)
15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики

Липецк-2015

Методические указания по проведению практической работы по дисциплине ОДп 12 «Физика» для специальностей 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов, 22.02.05 Обработка металлов давлением, 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы, 09.02.04 Информационные системы (по отраслям), 09.02.05 Прикладная информатика(по отраслям), 15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики по разделу «Электродинамика».




Составитель: Красникова Л.Н., преподаватель математических дисциплин



ОДОБРЕНО
Цикловой комиссиейМОЕНД

Председатель:_______________ /Красникова Л.Н./





Заместитель директорапо учебной работе:_________________/Перкова Н. И./



Методические указания по проведению практических работ предназначены для студентов ГОАПОУ «Липецкий металлургический колледж» специальности 1 курса для подготовки к практическим работам с целью освоения практических умений и навыков по разделу «Электродинамика».
Методические указания по проведению практических работ составлены в соответствии с рабочей программой ОДп 12 для специальностей 13.02.11 Техническая эксплуатация и обслуживание электрического и электромеханического оборудования (по отраслям), 22.02.01 Металлургия черных металлов, 22.02.05 Обработка металлов давлением, 15.02.01 Монтаж и техническая эксплуатация промышленного оборудования (по отраслям), 15.02.07 Автоматизация технологических процессов и производств (по отраслям), 09.02.01 Компьютерные системы и комплексы, 09.02.04 Информационные системы (по отраслям), 09.02.05 Прикладная информатика(по отраслям), 15.02.03 Техническая эксплуатация гидравлических машин, гидроприводов и гидропневмоавтоматики
Введение
Методические указания по выполнению практической работы разработаны согласно рабочей программе ОДп 12 «Физика» для специальностей 1 курса по разделу «Электродинамика».
Практические работы направлены на овладение следующими знаниями и умениями.
В результате изучения раздела студенты должны:
знать:
понятия: электрический ток; сила тока; плотность тока; ЭДС; электрическое сопротивление и удельное электрическое сопротивление;
разность потенциалов, напряжение, электроемкость, диэлектрическая проницаемость;
законы: Ома для участка цепи и для полной цепи, Кирхгофа, Джоуля-Ленца;
формулы: силы и плотности тока; сопротивления, ЭДС, работы и мощности тока;
уметь:
применять положение электронной теории для объяснения электризации тел при их соприкосновении, существование проводников и диэлектриков;
решать задачи с использованием закона Ома для участка и для полной цепи
применять формулы последовательного и параллельного соединений к расчету электрических цепей

Практические работы следует проводить по мере прохождения студентами теоретического материала.
Практические работы рекомендуется производить в следующей последовательности:
- вводная беседа, во время которой кратко напоминаются теоретические вопросы по теме работы, разъясняется сущность, цель выполнения работы;
- самостоятельное выполнение заданий;
- защита практической работы в форме собеседования.

Методические указания к выполнению практической работы для студентов

К выполнению практической работы необходимо приготовиться до начала занятия, используя рекомендованную литературу и конспект лекций.
Студенты обязаны иметь при себе линейку, карандаш, калькулятор, тетрадь.
При подготовке к сдаче практической работы, необходимо ответить на предложенные контрольные вопросы.
Практическая работа №5
Тема: «Расчет электродинамических величин и электрических цепей».
Цель: Научиться рассчитывать основные электродинамические величины при последовательном и параллельном соединении проводников
Порядок выполнения работы:
Внимательно прочитать теоретическую часть и план решения задач
Рассмотреть примеры решения задач
Ответить на контрольные вопросы.
Получить и выполнить индивидуальные задания.

Теоретическая часть
Сопротивление однородного цилиндрического проводника, длиной и площадью поперечного сечения S, изготовленного из материала с удельным сопротивлением р, определяется выражением:

Удельное сопротивление проводника зависит от температуры:

где ( - температурный коэффициент сопротивления, р0 – удельное сопротивление при 0°С, t – температура по шкале Цельсия.
Экспериментально установленную зависимость силы тока I от напряжения U и электрического сопротивления R участка цепи называют законом Ома для участка цепи:


Сила тока I прямо пропорциональна напряжению U и обратно пропорциональна электрическому сопротивлению R участка цепи.
В электрических цепях применяют различные способы соединения сопротивлений: последовательное, параллельное и смешанное.
Последовательным называется соединение, при котором конец одного проводника соединяется с началом другого и т.д.

При таком соединении проводников:
1) сила тока во всех участках цепи одинакова:
падение напряжения в цепи равно сумме падений напряжений на отдельных участках
общее сопротивление цепи, состоящей из последовательно соединенных проводников, равно сумме сопротивлений отдельных проводников:
Ra6tt=Rl + R2+...*RM. '
Параллельным называется соединение, при котором начала проводников соединяются в один узел, а их концы - в другой

При таком типе соединения:
1) сила тока в неразветвленной части цепи равна сумме
сил токов, текущих в разветвленных участках цепи:
I = I1 + I2+ ...+In;
падение напряжения на всех параллельно соединенных проводника одинаково: U1 = U2= ... = Un= U;
величина, обратная общему сопротивлению цепи, равна сумме величин, обратных сопротивлениям всех параллельно включенных проводников:

План решения задач
При решении задач данного раздела можно использовать следующие основные алгоритмы:
При вычислении общего сопротивления контура, необходимо установить наличие последовательного и параллельного соединения проводников. Такие соединения следует заменить одним эквивалентным сопротивлением и получить упрощенную схему.
При составлении эквивалентной упрощенной электрической схемы следует использовать правила:
1)точки с одинаковым потенциалом можно соединить и разъединить, т.к. ток между такими точками не идет. Точки с одинаковыми потенциалами всегда есть в схемах, имеющих ось симметрии относительно точек подключения питания;
2)работа по перемещению единичного заряда из одной точки однородной цепи в другую не зависит от сопротивлений проводников, а определяется разностью потенциалов между этими точками. Отметим, что это правило справедливо для участков цепи, не содержащих ЭДС. Расчет силы тока производится с использованием законов Ома для участка цепи и для полной цепи .
II тип задач на расчет работы, мощности и теплового действия тока. Прежде всего необходимо установить, идет ли речь о мощности, выделяемой на участке цепи или о полной мощности в цепи или же о мощности во внешней цепи источника и правильно выбрать формулы для расчета мощности.
Решая задачи на мощность, выделяемую во внешней цепи, желательно помнить, что она будет максимальной, когда внешнее сопротивление цепи будет равно сопротивлению источника. Этим результатом можно пользоваться как готовым и значительно сократить вычисления.
При расчете теплового действия тока следует использовать закон Джоуля-Ленца. . Когда участок цепи не содержит источников тока, то можно использовать формулу 13 QUOTE 1415
Формулы 13 QUOTE 1415 и 13 QUOTE 1415, определяющие работу сил поля и количество теплоты, выделившейся на участке цепи, можно применить независимо от того, есть ли на этом участке источник ЭДС или нет.
Если на участке нет источника ЭДС, эти формулы тождественны. Если же участок содержит источник тока, величины А и Qокажутся разными.
Примеры решения задач
Пример 1.
Если плотность тока при физио процедуре 0,1 мА/см2, а площадь электродов 24 см2, то заряд, проходящий через участок ткани человека за 5 мин, равен... (в Кл).
Дано:

S = 24 см2
t = 5 мин = 300 с
Решение:
q=It.
Плотность тока по определению:
13 QUOTE 1415.
Для вычисления заряда получаем формулу:
q=jSt.
При подстановке числовых значений см2 можно не переводить в м2, т.к. эта единица измерения сокращается.
Подставляем числовые значения:




13 QUOTE 1415.
Ответ: 0,72 Кл.
Пример 2.
Два проводника при параллельном соединении имеют сопротивление 6 Ом, а при последовательном соединении - 27 Ом. Произведение сопротивлений этих проводников равно... (в Ом).
Дано:
Rпар = 6 Ом
Rпосл= 27 Ом
Решение:
При последовательном соединении двух проводников
13 QUOTE 1415.
При параллельном соединении

R1R2= ?


13 QUOTE 1415,
13 QUOTE 1415,
13 QUOTE 1415.
Подставляем числовые значения:
13 QUOTE 1415.
Ответ:13 QUOTE 1415.
Пример 3.
При уменьшении сопротивления внешней цепи с 10 Ом до 4 Ом сила тока, текущего через источник, увеличилась от 1 А до 2 А. ЭДС источника тока равна.. .(в В).
Дано:
R1 = 10 Ом
R2 = 4 Ом
I1 = 1 А
I2 = 2 А
Решение:
По закону Ома для полной цепи для первого и второго случая имеем:
13 QUOTE 1415.
Разделим первое уравнение на второе:
13 QUOTE 1415.

13 QUOTE 1415= ?


Произведя алгебраические преобразования, получаем:
13 QUOTE 1415,
13 QUOTE 1415.
13 QUOTE 1415.
Ответ: 12 В.
Пример 4.
Батарея с внутренним сопротивлением 2 Ом и ЭДС 6Взамкнута проводником с сопротивлением 8 Ом. Какое количество теплоты выделится в проводнике за 1 секунду?
Дано:
r= 2 Ом
13 QUOTE 1415 = 6В
R= 8 Ом
Решение:
Количество теплоты, выделяющееся в проводнике, определяется законом Джоуля-Ленца:
Q = I2Rt.
По закону Ома для полной цепи:
13 QUOTE 1415,

13 QUOTE 1415= ?


13 QUOTE 1415.
Подставляем числовые значения:
13 QUOTE 1415.
Ответ:13 QUOTE 1415.
Пример 5.
Проводники сопротивлением 3 Ом и 4 Ом соединены параллельно. Если через сопротивление 3 Ом протекает ток 0,2 А, то через сопротивление 4 Ом протекает ток.. .(в А).
Дано:
R1 = 3 Ом
R2 = 4 Ом
I1 = 0,2 А
Решение:
При параллельном соединений:
13 QUOTE 1415.
По закону Ома:
13 QUOTE 1415.

13 QUOTE 1415= ?


Выражаем 13 QUOTE 1415 :
13 QUOTE 1415.
Подставляем числовые значения:
13 QUOTE 1415.
Ответ: 0,15 А.
Пример 6.
При никелировании изделия в течение 1 часа отложился слой никеля толщиной l = 0,01 мм. Определить плотность тока, если атомная масса никеля А = 0,0587 кг/моль, валентность п = 2.
Дано:
t = 1 час = 3600 с
l = 1,0 * 10-5 м
A = 0,0587 кг/моль
n = 2
13 QUOTE 1415= 8,9 * 103 кг/м3
F = 9,65 * 104 кг/моль
Решение:
По закону Фарадея, масса выделившегося никеля равна:
13 QUOTE 1415,
Где 13 QUOTE 1415,
S- площадь покрытия никелем.
Тогда
13 QUOTE 1415, откуда

13 QUOTE 1415= ?


13 QUOTE 1415.
Ответ:13 QUOTE 1415.
Пример 7.
Амперметр с внутренним сопротивлением 2 Ом, подключен к зажимам батареи, показывает ток 5А. Вольтметр с внутренним сопротивлением 150 Ом, подключенный к зажимам этой же батареи, показывает напряжение 12В. Чему равен ток короткого замыкания?
Дано:
Rа = 2 Ом
Rв = 150 Ом
I= 5 А
U = 12В
Решение:
К батарее подключен амперметр:
13 QUOTE 1415, (1)
где S - ЭДС, r- внутреннее сопротивление батареи.

13 QUOTE 1415= ?


К батарее подключен вольтметр: он показывает напряжение, равное напряжению на зажимах батареи, т.к. внешнее сопротивление состоит только из Rв:
13 QUOTE 1415. (2)
Ток короткого замыкания определяется формулой:
13 QUOTE 1415. (3)
Из формулы (1) следует13 QUOTE 1415и подставляем в (2):
13 QUOTE 1415.
13 QUOTE 1415.
Тогда 13 QUOTE 1415.
Полученные выражения для r и 13 QUOTE 1415подставляем в (3):
13 QUOTE 1415.
Ответ:13 QUOTE 1415.
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Что понимают под электрическим током?
2. Какие условия необходимы для возникновения и поддержания электрического тока?
3. Что называют силой тока? плотностью тока?
4. От чего зависит скорость направленного движения (скорость дрейфа) электронов в проводнике?
5. Сформулируйте закон Ома для участка цепи без ЭДС.
6. Как зависит сопротивление проводника от его длины, площади, поперечного сечения и материала?
7. Что называют удельным сопротивлением? удельной электропроводимостью проводника?
8. Как зависит удельное сопротивление проводника от температуры?
9. В чем состоит явление сверхпроводимости?
10. Что называют электродвижущей силой источника тока?
11. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.
12. Какое соединение сопротивлений называют последовательным? параллельным? Чему равно сопротивление цепи при этих соединениях?
Индивидуальные задания к практической работе №4
Вариант №1
Через электрическую лампочку за 5 мин проходит за ряд в 150 Кл. Какова сила тока в лампочке?
До какой температуры нужно нагреть медный проводник, имеющий температуру О °С, чтобы его сопротивление увеличилось в 3 раза? Температурный коэффициент сопротивления меди 4,3 10 3 К"1.
Резисторы с сопротивлениями R1 = 2 Ом, R2 = 3 Ом, R3 = 5 Ом соединены по схеме, изображенной на рисунке. Найдите общее сопротивление этой цепи.

Вариант №2
Определите сопротивление медного провода, если при силе протекающего в нем тока 10 А напряжение на его концах равно 4 В.
Определите сопротивление алюминиевого провода длиной 1,8 км и сечением 10 мм2.
На рисунке изображена схема соединения резисторов, у которых Rl = 3 Ом, R2 = 6 Ом, R3 = 4 Ом. Найдите общее со противление всей цепи.




Вариант №3
При электросварке сила тока достигает 200 А. Какой электрический заряд проходит через поперечное сечение электрода за 5 мин?
Алюминиевая проволока при 0 °С имеет сопротивление 4,25 Ом. Каково будет сопротивление этой проволоки при 200 °С? Температурный коэффициент сопротивления алюминия 4 10~3 К"1.
. Чему равно общее сопротивление участка цепи, изображенного на рисунке, если R1 = 2 Ом, R2 = 10 Ом, R3 = 15 Ом, Д, = 1 Ом?

Вариант №4
Рассчитайте силу тока в лампочке, имеющей сопротивление 400 Ом, если напряжение на ее зажимах 120 В.
Сопротивление медного провода сечением 2 мм2 равно 1 Ом. Какова длина этого провода?
Четыре резистора Дх = 1 Ом, R2 = 2 Ом, R3 = 3 Ом, Л4 = = 4 Ом соединены по схеме, изображенной на рисунке. Определите общее сопротивление цепи.

Вариант №5
Какова сила тока в проводнике, через поперечное сечение которого за 2 с проходит 12 1019 электронов? Заряд электрона равен 1,6 10 19 Кл.
Сопротивление платиновой проволоки при температуре 20 °С равно 20 Ом, а при температуре 500 °С равно 59 Ом. Найдите значение температурного коэффициента сопротивления платины.
Вычислите общее сопротивление участка цепи, изображенного на рисунке, если i?x = 6 Ом, R2 = 3 Ом, Rs = 5 Ом, Д, = = 24 Ом.




Вариант №6
Чему равно напряжение на клеммах амперметра, сила тока в котором 6,2 А, если сопротивление амперметра 0,0012 Ом?
Рассчитайте удельное сопротивление трамвайного провода, если его длина 10 км, сечение 70 мм2, а сопротивление 3,5 Ом.
Чему равно общее сопротивление участка цепи, изображенного на рисунке, если R1 = 60 Ом, R2 = 12 Ом, Rз = 15 Ом, Д, = 3 Ом?




Вариант №7
Какой электрический заряд пройдет за 10 мин через спираль утюга, если сила тока в ней равна 0,3 А?
Температурный коэффициент сопротивления для некоторого сплава равен 10~3 К1. Сопротивление резистора из этого сплава при 273 К равно 100 Ом. На сколько увеличится сопротивление резистора при нагревании до 283 К?
Чему равно общее сопротивление участка цепи, изображенного на рисунке, если сопротивление каждого из четырех резисторов равно 2 Ом.



Вариант №8
Электрический чайник потребляет ток 3 А при напряжении 220 В. Чему равно сопротивление чайника?
Какой длины потребуется никелиновая проволока сечением 0,1 мм2 для изготовления реостата сопротивлением 180 Ом?
На рисунке приведена схема участка электрической цепи. Определите общее сопротивление всего участка.

R, = 1 Ом
R2 = 2 Ом
R3 = 3 Ом
R4 = 3 Ом
R5 = 3 Ом

Вариант №9
За какое время пройдет через поперечное сечение проводника заряд, равный 10 Кл, при силе тока 0,2 А?
Сопротивление вольфрамовой нити электрической лампочки при 10 °С равно 50 Ом. До какой температуры нагрета нить, если ее сопротивление равно 550 Ом? Температурный коэффициент сопротивления вольфрама 5-10"3К -1.
На рисунке приведена схема участка электрической цепи. Сопротивление каждого из резисторов равно 1 Ом. Определите общее сопротивление всего участка.




Вариант №10
Определите напряжение, которое нужно создать на концах проводника сопротивлением 20 Ом, чтобы в нем возникла сила тока 0,5 А.
Определите сопротивление стального провода сечением 35 мм2 и длиной 25 м.
Найдите полное сопротивление R показанного на рисунке участка цепи, если R1 = R2 = R5 = = R6 = 3 Ом, Д4 = 24 Ом, R3 = 20 Ом.










13PAGE 15


13PAGE 14215




Рисунок 7Рисунок 65Рисунок 71Рисунок 74Заголовок 1Заголовок 2Заголовок 3Заголовок 4Заголовок 5Заголовок 6Заголовок 7Заголовок 8Заголовок 915