Лабораторные работы — с. 238
Лабораторная работа № 9. Измерение мощности и работы тока в электрической лампе. Цель работы: Измерить мощность и работу электрического тока в электрической лампе. Приборы и материалы: Лабораторный источник питания (ЛИП), лампа на подставке, ключ, амперметр, вольтметр, часы, соединительные провода. Указания к работе:
1. Начертите схему электрической цепи последовательного соединения источника тока, ключа и лампы. Добавьте в схему амперметр и вольтметр так, чтобы они измеряли силу тока в цепи и напряжение на лампе.
2. Соберите электрическую цепь по схеме.
3. Измерьте силу тока в цепи и напряжение на лампе.
4. Обработка результатов измерений. Результаты прямых измерений с учётом абсолютной погрешности, равной цене деления шкалы прибора, и вычислений записывайте в таблицу 19. [Таблица 19: Сила тока I, А; Напряжение U, В; Мощность тока P, Вт; Время горения лампы t, с; Работа тока A, Дж.] 5. Рассчитайте мощность электрического тока в лампе по измеренным значениям силы тока и напряжения.
6. Измерьте время горения лампы и рассчитайте работу электрического тока в лампе.
7. Сделайте вывод.
Ход работы (лампа 3,5 В; 0,26 А).
1. Схема (см. рисунок): ЛИП, ключ, лампа и амперметр соединены последовательно; вольтметр подключён параллельно лампе. Собираем цепь с разомкнутым ключом, проверяем, что клеммы «+» приборов соединены с проводами от положительного полюса источника. Цены деления: амперметр 0,1 А, вольтметр 0,2 В.
2. Измерения. Замыкаем ключ, лампа горит. Показания: I = 0,3 ± 0,1 А, U = 3,6 ± 0,2 В.
3. Мощность тока: P = U · I = 3,6 В · 0,3 А = 1,08 Вт ≈ 1,1 Вт. Относительная погрешность ε_P = ΔI/I + ΔU/U = 0,1/0,3 + 0,2/3,6 ≈ 0,33 + 0,06 = 0,39; абсолютная ΔP = P · ε_P ≈ 1,08 Вт · 0,39 ≈ 0,4 Вт. Итак, P = 1,1 ± 0,4 Вт. Для сравнения: номинальная мощность лампы 3,5 В · 0,26 А ≈ 0,9 Вт попадает в этот интервал.
4. Время горения. Лампа горела, пока ключ был замкнут, по часам t = 5 мин = 300 с (погрешность измерения времени около 1 с).
5. Работа тока: A = P · t = 1,08 Вт · 300 с = 324 Дж (то же самое: A = U · I · t = 3,6 В · 0,3 А · 300 с = 324 Дж). Относительная погрешность ε_A = ε_P + Δt/t ≈ 0,39 + 0,003 ≈ 0,39; ΔA ≈ 324 Дж · 0,39 ≈ 130 Дж. Итак, A ≈ (3,2 ± 1,3) · 10² Дж.
Вывод. Мощность электрического тока в лампе, определённая по показаниям амперметра и вольтметра как P = U · I, равна примерно 1,1 Вт (с погрешностью около 0,4 Вт, в основном из-за грубой шкалы амперметра). За 300 с работы лампы электрический ток совершил работу A = P · t ≈ 320 Дж; эта энергия превратилась в свет и внутреннюю энергию нити лампы и окружающего воздуха. Чтобы уменьшить погрешность, нужно использовать приборы с меньшей ценой деления.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться (лампа и время горения приняты типичными: 3,5 В; 0,26 А и 5 мин).
1. Схема (см. рисунок): ЛИП, ключ, лампа и амперметр соединены последовательно; вольтметр подключён параллельно лампе. Собираем цепь с разомкнутым ключом, проверяем, что клеммы «+» приборов соединены с проводами от положительного полюса источника. Цены деления: амперметр 0,1 А, вольтметр 0,2 В.
2. Измерения. Замыкаем ключ, лампа горит. Показания: I = 0,3 ± 0,1 А, U = 3,6 ± 0,2 В.
3. Мощность тока: P = U · I = 3,6 В · 0,3 А = 1,08 Вт ≈ 1,1 Вт. Относительная погрешность ε_P = ΔI/I + ΔU/U = 0,1/0,3 + 0,2/3,6 ≈ 0,33 + 0,06 = 0,39; абсолютная ΔP = P · ε_P ≈ 1,08 Вт · 0,39 ≈ 0,4 Вт. Итак, P = 1,1 ± 0,4 Вт. Для сравнения: номинальная мощность лампы 3,5 В · 0,26 А ≈ 0,9 Вт попадает в этот интервал.
4. Время горения. Лампа горела, пока ключ был замкнут, по часам t = 5 мин = 300 с (погрешность измерения времени около 1 с).
5. Работа тока: A = P · t = 1,08 Вт · 300 с = 324 Дж (то же самое: A = U · I · t = 3,6 В · 0,3 А · 300 с = 324 Дж). Относительная погрешность ε_A = ε_P + Δt/t ≈ 0,39 + 0,003 ≈ 0,39; ΔA ≈ 324 Дж · 0,39 ≈ 130 Дж. Итак, A ≈ (3,2 ± 1,3) · 10² Дж.
Вывод. Мощность электрического тока в лампе, определённая по показаниям амперметра и вольтметра как P = U · I, равна примерно 1,1 Вт (с погрешностью около 0,4 Вт, в основном из-за грубой шкалы амперметра). За 300 с работы лампы электрический ток совершил работу A = P · t ≈ 320 Дж; эта энергия превратилась в свет и внутреннюю энергию нити лампы и окружающего воздуха. Чтобы уменьшить погрешность, нужно использовать приборы с меньшей ценой деления.
Оговорка: числовые значения получены для типичного оборудования и могут отличаться (лампа и время горения приняты типичными: 3,5 В; 0,26 А и 5 мин).