Областная олимпиада по физике. г. Могилев. 11 класс. 2019 г. Экспериментальный тур

          

Областная олимпиада по физике. г. Могилев. 11 класс. 2019 г.

Экспериментальный тур

Задание 11-1. Как работает омметр.

В данном задании вам необходимо понять принцип работы омметра и подтвердить ваше понимание результатами измерений и их интерпретацией.

Основная идея работы омметра – измерение напряжения на внешней цепи!

Принципиальная схема омметра показана на рисунке: Внутри имеется источник, ЭДС которого обозначим $\mathscr{E}$, а внутреннее сопротивление $r$. К клеммам омметра подключен вольтметр, к этим же клеммам подключается измеряемое сопротивление $R$.

Приборы и оборудование: резистор проволочный, источник тока модифицированный, мультиметр, соединительные провода.

Проволочный резистор имеет 6 выводов, поэтому у вас есть возможность использовать его в качестве переменного резистора с 5 дискретными значениями сопротивления. На рисунке показана схема этого резистора, на ней указаны номера клемм.

К гальваническому элементу последовательно подключен постоянный резистор, его сопротивление играет роль внутреннего сопротивления источника.

Часть 1 Характеристики проволочного резистора и источника тока.

1.1 Переключите мультиметр в режим измерения сопротивления (далее режим омметра). Измерьте сопротивления проволочного резистора $R_k$ при подключении его к клеммам $0$ и $k = 1, 2, … 5$. Постройте график полученной зависимости $R_k(k)$. Определите параметры полученной зависимости. Рассчитайте значения сопротивлений $R_k$ по полученной зависимости.

В дальнейшем используйте рассчитанные значения сопротивлений резистора $\overline{R_k}$, так как они получены посредством усреднения (следовательно, и уменьшения) погрешностей измерения сопротивлений.

1.2 Измерьте ЭДС $\mathscr{E_0}$ и внутренне сопротивление $r_0$ предоставленного вам источника тока.

Приведите электрическую схему, с помощью которой вы проводили измерения, результаты измерений, расчетные формулы, численные значения требуемых параметров и оценку погрешности.

1.3 Укажите, какой единственной величиной можно характеризовать источник в данных экспериментах.

Часть 2. «Сопротивление» с источником.

Подключите параллельно к проволочному резистору источник тока. Мультиметр переключите в режим омметра (см.  схему)

2.1 Измерьте зависимость показаний омметра от сопротивления проволочного резистора. Измерения проведите при двух различных полярностях подключения источника. Обозначим эти показания $R_{(+)}^*$ и $R_{(-)}^*$.

2.2 Постройте графики полученных зависимостей $R_{(+)}^*(\overline{R_k})$ и $R_{(-)}^*(\overline{R_k})$.

2.3 Выскажите предположение о свойствах источника тока внутри омметра. Объясните полученные в этой части зависимости. Определите значение силы тока, создаваемого источником омметра. Оцените его погрешность.

Часть 3. Комбинированная схема.

Подключите источник к двум звеньям проволочного резистора, как показано на схеме.

3.1 Измерьте зависимость показаний омметра от номера точки подключения $k = 1, 2, … 5$ при двух полярностях включения источника.

3.2 Постройте графики зависимостей показаний омметра в данной схеме от сопротивления подключенной к омметру части резистора.

3.3 Качественно объясните полученные зависимости.

Задание 11-2 Закручивание.

Оценка погрешности в данном задании не требуется!

Когда нить маятника, подвешенная в точке $C$ натыкается на горизонтальный стержень $S$, то при некоторой скорости груза маятника $A$ нить может полностью намотаться на стержень.

В данном задании Вам необходимо исследовать этот эффект. Обозначим длину нити маятника $L$ (она должна быть примерно равной $0,5$ м и оставаться неизменной во всех экспериментах) Расстояния от нижней точки маятника до стержня обозначим $l$ (эту величину следует изменять в ходе эксперимента).

Приборы и оборудование: штатив с двумя стержнями (один для крепления нити, второй для намотки), прочная нить с грузом (гайка), линейка, угломерная шкала.

Часть 1. Теоретическая.

1.1 Рассчитайте, на какой начальный угол $\varphi_0$ (от вертикали) нужно отклонить нить описанного выше маятника, чтобы она в процессе движения намоталась на тонкий стержень. Пренебрегайте потерями энергии на сопротивление воздуха, неупругими деформациями нити при столкновении со стержнем, толщиной стержня и т.д.

Прежде чем, приступать к экспериментальной проверке этой зависимости, исследуем возможные механизмы потерь механической энергии

Часть 2. Экспериментальное изучение потерь энергии.

Расположите штатив близко к краю стола, на торце которого прикрепите линейку. Нить маятника должна двигаться близи линейки, так, чтобы вы могли измерять по ней отклонения нити. Эти отклонения будем обозначать $x$. Остальные обозначения оставляем прежними.

2.1 Измерьте зависимость отклонения нити $x_k$ в крайнем положении от числа совершенных колебаний. Отдельно проведите измерения при больших (больше $10$ см) отклонениях и при малых отклонениях (меньше $10$ см).

Кратко укажите, как вы проводили эти измерения.

2.2 Укажите, какая из измеряемых величин пропорциональна энергии маятника в крайнем положении.

2.4 На основании экспериментальных  данных найдите среднее значение относительных потерь механической энергии за один период колебаний $\varepsilon_1 = \frac{\Delta E}{E}$ (при больших и малых отклонениях). Обоснуйте свои расчеты линеаризованным графиком зависимости энергии от числа колебаний.

2.5 Расположите в нижней части штатива стержень, так чтобы нить в процессе движения натыкалась на него. Отклоняйте маятник на такой угол, чтобы нить изгибалась при соприкосновении со стержнем, но не наматывалась на него. Такое движение очень похоже на удар – нить также быстро отскакивает!

Проведите аналогичные измерения и определите относительные потери энергии $\varepsilon_2 = \frac{\Delta E}{E}$ в этом случае (достаточно провести одну серию измерений)

2.6 Сравните полученные значения, укажите какая из причин (сопротивление воздуха или «неупругость» удара) приводит к большим потерям энергии.

Часть 3. Намотка.

В верхней части штатива закрепите лист картона с угломерной шкалой для измерения начального угла отклонения нити $\varepsilon_0$.

3.1 Исследуйте зависимость угла $\varepsilon_0$ (при котором нить начинает накручиваться на стержень) от положения стержня $l$.

3.2 Постройте график полученной зависимости. Можете преобразовать (например, линеаризовать) свою зависимость для большей наглядности и возможности сравнения их с теоретической формулой, полученной в первой части данного задания.

3.4 Укажите существенные причины, объясняющие возможные различия между теоретическими и экспериментальными зависимостями.