Fyzikální cvičení - 3. ročník
Základy měření a bezpečnost
v elektrotechnice
Vybavení: vodiče, 2 x multimetr, spotřebič
úkol č. 1: Elektrotechnická schémata
1. Doplňte význam značek
úkol č. 2: Správné zapojení a měření pomocí digitálního multimetru
1. Zakreslete schéma správného zapojení ampérmetru a voltmetru v jednoduchém obvodu.
2. Co se stane a proč, zapojíme-li ampérmetr místo voltmetru?
3. Co se stane a proč, zapojíme-li voltmetr místo ampérmetru?
jméno:
spolupracoval:
body:
+ –
~
A
V
4. Při měření multimetrem dodržujeme tento postup
a) Při odpojeném přístroji nastavíme požadovaný rozsah požadované veličiny, raději volíme větší rozsah.
b) Zapojíme multimetr do obvodu (– pól se připojuje na zemi, označení COM).
c) Odečítáme hodnoty z displeje, v případě potřeby snížíme rozsah. POZOR na SPÁLENÍ pojistky při překročení rozsahu!
d) Při delší nečinnosti multimetr odpojíme z obvodu (přerušíme obvod) a teprve poté vypneme.
5. Vyzkoušejte si uvedené zapojení a postup pro cvičné změření napětí a proudu na dané součástce.
úkol č. 3: Změřte odpor lidského těla v různých situacích
1. Změřte napětí zdroje (bude stálé během celého měření)
2. Připravte si jednoduchý obvod, kde místo spotřebiče bude v obvodu „díra“.
3. Zapojte člověka do obvodu v různých situacích, změřte procházející proud a zapisujte do tabulky. Pozor na ZKRAT!
4. Na základě výpočtu doplňte odpor lidského těla do tabulky.
kdo zapojení proud odpor těla
L ruka-P ruka (suché)
2 prsty jedné ruky (suché)
2 prsty jedné ruky (mokré)
2 prsty jedné ruky (mokré + sůl)
L ruka-P ruka (suché)
2 prsty jedné ruky (suché)
2 prsty jedné ruky (mokré)
2 prsty jedné ruky (mokré + sůl)
L ruka-P ruka (suché)
2 prsty jedné ruky (suché)
2 prsty jedné ruky (mokré)
2 prsty jedné ruky (mokré + sůl)
5. Doplňte tabulky na základě společné práce (neměřte!)
fyziologické účinky max. proud AC max. proud DC
práh reakce
práh odpoutání
práh fibrilace
norma
bezpečné napětí ---> AC DC
U=
6. Odpovězte, zdůvodněte
a) Která část těla má rozhodující vliv na celkový odpor?
b) Proč se naměřený odpor různých lidí výrazně lišil?
c) Jaké zapojení člověka do obvodu je nejméně a jaké nejvíce nebezpečné? Nakreslete schémata.
d) Nejmenší možný odpor lidského těla může být asi 5 kW. Jaké nebezpečí hrozí při zapojení k síťovému napětí 230V?
Proč většinou dotyk síťového napětí 230V člověka pouze „kopne“?
e) Proč se při překročení prahu odpoutání nelze vodiče pustit?
f) Proč napětí 50 kV na Van der Graaffově generátoru není člověku nebezpečné?
Proč autobaterie, která dokáže dodávat proud až 100 A není člověku nebezpečná?
g) Proč vzniká nejvíc smrtelných úrazů u vysokého napětí (nad 1000 V)?
h) Jaké nebezpečí nám hrozí od nekvalitních nebo rozbitých spotřebičů?
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Zatěžovací charakteristika zdroje napětí
Vybavení: zdroj, multimetry, vodiče, reostat
úkol: Změřte zatěžovací charakteristiku zdroje napětí
1. Sestavte jednoduchý obvod ze zdroje a reostatu, reostat nastavte na maximální hodnotu odporu.
Připojte voltmetr a ampérmetr. Nezapojujte zdroj. Nakreslete schéma obvodu včetně vnitřního odporu zdroje.
2. Po kontrole učitelem zapojte zdroj. Pomocí reostatu zvyšujte proud obvodem až do maximální možné hodnoty.
Pozor na překročení rozsahu ampérmetru! Zapište přibližně 10 hodnot proudu a napětí.
K těmto hodnotám dopočítejte výkon.
napětí svorkové
proud obvodem
výkon
3. Sestrojte a) zatěžovací charakteristiku zdroje - graf, který udává závislost svorkového napětí na proudu,
b) výkonovou charakteristiku zdroje - graf, který udává závislost výkonu na proudu.
Grafy sestrojte přehledně na samostaný papír A4.
4. Na základě výsledků měření a grafů se pokuste charakterizovat vlastnosti zdroje - vnitřní odpor, maximální proud,
maximální výkon.
jméno:
spolupracovali:
body:
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Voltampérové charakteristiky
Vybavení: zdroj, multimetry, vodiče, reostat, ...
úkol: Změřte VA charakteristiku různých prvků
1. Zapojte potenciometr ke zdroji a pomocí dvou voltmetrů otestujte jeho funkci. Zakreslete schéma zapojení a stručně
popište jeho funkci.
2. Nakreslete schéma pro měření VA charakteristiky rezistoru a žárovky. Zapojte obvod a změřte VA charakteristiku pro
přibližně 10 hodnot napětí a proudu (záznam na samostatný papír). U žárovky zaznamenejte hodnotu napětí, kdy bylo možné
poprvé pozorovat rozžhavení vlákna.
3. Nakreslete schéma pro měření VA charakteristiky LED. Použijte ochranný rezistor. Zapojte obvod a změřte VA charakteristiku
pro přibližně 10 hodnot napětí a proudu. Zaznamenejte hodnotu napětí, kdy se LED poprvé rozsvítila. Proud
diodou NESMÍ překročit 30 mA!
4. Opakujte měření pro LED jiné barvy.
5. Zapojte dvě LEDky různé barvy paralelně a pomalu zvyšujte napětí. Popište výsledek pokusu a vysvětlete.
jméno:
spolupracovali:
body:
6. Odpovězte na otázky
(a) Jak se mění odpor rezistoru? Jakou maximální a minimální hodnotu odporu jste získali?
(b) Jak se mění odpor žárovky? Jakou maximální a minimální hodnotu odporu jste získali? Jaká byla teplota žárovky, když
bylo možné poprvé pozorovat rozžhavení vlákna? Teplotní součinitel elektrického odporu wolframu je aW
=0,005 K-1
.
(c) Jak se mění odpor LED? Jakou maximální a minimální hodnotu jste získali? Proč je nutné použít u LED ochranný rezistor?
Jakou hodnotu odporu byste zvolili pro napájení LED zdrojem 9 V?
(d) Porovnejte příkon LED a žárovky.
7. Doma zpracujte získané VA charakteristiky do grafů na počítači.
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Magnetické jevy
úkol 1: Elektromotory
Vybavení: zdroj DC, zdroj AC, vodiče, elektromotory, ampérmetr.
1. Vezměte elektromotor buzený permanentním magnetem a připojte ho ke zdroji DC přes ampérmetr (rozsah 10 A).
2. Na základě pokusu popište funkci jednotlivých částí motoru:
stator:
rotor:
komutátor:
3. Navrhněte způsob, jak změnit směr otáčení rotoru a otestujte ho. Zapište výsledek:
4. Uchopte rotor motoru pevně do ruky, připojte ke zdroji a změřte proud procházející motorem, který se netočí. Poté
nechejte motor roztočit a znovu změřte proud. Pokuste se také o vysvětlení tohoto jevu:
*5. Vezměte sériový elektromotor a s pomocí učitele ho zapojte ke zdroji DC (ampérmetr už nezapojujte).
*6. Navrhněte způsob, jak změnit směr otáčení rotoru a otestujte ho. Zapište výsledek:
*7. Který z motorů by fungoval i při napájení zdrojem AC?
úkol 2: Magnetické pole cívky
Vybavení: zdroj DC, cívka, vodiče, ampérmetr, Hallova sonda.
1. Zjistěte potřebné parametry cívky, změřte procházející proud a vypočítejte velikost magnetické indukce ve středu
cívky (solenoidu). Zapište do rámečku.
2. Pomocí Hallovy sondy změřte magnetickou indukci ve středu cívky a porovnejte s vypočítanou hodnotou. Zapište.
B - výpočet B - měření
3. Vložte do cívky železné jádro a změřte znovu magnetickou indukci (těsně u povrchu jádra). Vysvětlete:
jméno:
spolupracovali:
body:
úkol 3: Magnetická síla
Vybavení: zdroj DC, zdroj AC, vodiče, tlačítko, hliníkový pásek, rezistor, stojany, magnet tvaru kvádru.
1. Zapojte hliníkový pásek (umístěný mezi stojany) ke zdroji DC přes rezistor a tlačítko. Nakreslete schéma obvodu:
2. Vložte magnet pod pásek dle obrázku tak, aby mezi páskem
a magnetem byla mezera cca 1 mm. Poté sepněte obvod a sledujte chování pásku.
3. Vyzkoušejte všechny 4 polohy magnetu pod páskem. U všech popište a vysvětlete chování pásku pomocí magnetické síly.
Nezapomeňte správně nastavit polaritu zdroje a dokreslit ji do obrázku.
4. Nyní zapojte hliníkový pásek ke zdroji AC a pokuste se vysvětlit jeho chování:
úkol 4: Feromagnetika
Vybavení: zdroj DC, zdroj AC, vodiče, cívka, ocelový pásek, vzorky kovů, magnetická střelka, magnet.
1. Vezměte vzorky kovů a zjistěte, které jsou feromagnetické. Zapište:
2. Navrhněte způsob, jak co nejlíp trvale zmagnetovat ocelový pásek pomocí magnetu tak, aby měl na koncích opačné póly.
Vyzkoušejte, ověřte pomocí kompasu a popište:
3. Navrhněte způsob, jak co nejlíp trvale zmagnetovat ocelový pásek pomocí cívky tak, aby měl na koncích opačné póly.
Vyzkoušejte, ověřte pomocí kompasu a popište:
4. Navrhněte způsob, jak co nejlíp trvale odmagnetovat ocelový pásek pomocí cívky.
Vyzkoušejte, ověřte pomocí kompasu a popište:
5. Je možné, aby měl magnet jiný počet pólů než dva? Kolik? Ověřte pokusem.
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Střídavý proud
Vybavení: cívka, žárovka, multimetr, dioda, vodiče,
notebook + VA senzor
úkol 1: Obvod s žárovkou
1. Zapojte žárovku do obvodu střídavého proudu. Do obvodu zapojte VA senzor (místo voltmetru a ampérmetru).
Zakreslete schéma obvodu.
2. V programu nastavte vzorkovací frekvenci 1000 Hz, zapněte režim osciloskop a zobrazte proud a napětí současně.
Zakreslete přibližně časový průběh proudu a napětí:
3. Z grafu určete: Um
, Im
, f. Vypočítejte Uef
, Ief
, R. Výsledky zapište do tabulky.
4. Pomocí multimetru změřte napětí na žárovce. Porovnejte s údaji získanými z grafu.
Zapište výsledek:
5. Do obvodu zapojte diodu. Pozorujte změnu časového průběhu na osciloskopu a změnu svitu žárovky.
úkol 2: Usměrňovač
1. Zapojte žárovku do zdroje stejnosměrného proudu. Do obvodu zapojte VA senzor (místo voltmetru a ampérmetru).
2. Pomocí počítače získejte časový průběh napětí na žárovce. Zapojte kondenzátor a sledujte rozdíl.
jméno:
spolupracovali:
body:
obvod s R (žárovka)
Um
Im
f
Uef
Ief
R
u [ ]
i [ ]
t [ ]
3. Zakreslete přibližně časový průběh napětí v obou případech:
dvoucestné usměrnění: dvoucestné usměrnění s kondenzátorem:
4. Vysvětlete funkci kondenzátoru v usměrňovači:
úkol 3: Obvod s cívkou
1. Zapojte cívku s jádrem do obvodu střídavého proudu. Do obvodu zapojte VA senzor (místo voltmetru a ampérmetru).
Zakreslete schéma obvodu.
2. Pomocí počítače získejte časový průběh proudu a napětí na cívce. Zakreslete:
3. Z grafu určete: Um
, Im
, f, f. Vypočítejte XL
a L. Výsledky zapište do tabulky.
4. Popište a vysvětlete vliv cívky na proud procházející obvodem:
u u
t t
obvod s L (cívka)
Um
Im
f
f
XL
L
u [ ]
i [ ]
t [ ]
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Transformátor
Vybavení: cívky, kondenzátor, jádro transformátoru
multimetry, vodiče, žárovka
úkol 1: Sestavte transformátor. Vyzkoušejte různé transformační poměry.
1. Sestavte transformátor z libovolných dvou cívek a zakreslete schéma.
2. Připojte transformátor ke zdroji ale nepřipojujte žádný spotřebič. Změřte vstupní a výstupní napětí a zaznamenejte počty
závitů do tabulky. Vypočítejte transformační poměr (U2
/U1
) a poměr počtu závitů.
3. Měření opakujte pro celkem tři různé kombinace cívek. POZOR - napětí na výstupu může překročit 50 V!!!
U1
U2
U2
/ U1
N1
N2
N2
/ N1
1
2
3
4. Jaký závěr můžete učinit z provedených měření?
úkol 4: Sestavte transformátor včetně spotřebiče. Prozkoumejte princip přenosu energie.
1. Sestavte transformátor s transformačním poměrem cca 0,5. Jako spotřebič zapojte žárovku odpovídajícího napětí.
Do primárního i sekundárního obvodu zapojte ampérmetr a do sekundárního navíc ještě voltmetr. Zakreslete schéma.
jméno:
spolupracovali:
body:
2. Připojte transformátor ke zdroji. Změřte proudy a napětí.
3. Rozpojujte a zapojujte jádro a sledujte chování žárovky. Zaznamenejte proudy a napětí při rozpojeném jádře.
4. Vypněte žárovku (přerušením sekundárního obvodu) a sledujte hodnotu primárního proudu. Zapište do tabulky.
5. Vypočítejte účinnost transformátoru podle vztahu P2
/P1
= U2
I2
/U1
I1
- doplňte do posledního řádku tabulky.
U1
I1
U2
I2
U2
/ U1
P2
/P1
žárovka ON
žárovka OFF
žárovka ON,
rozpojené jádro
6. Jaký závěr můžete učinit z provedených měření?
7. Odpovězte na otázky:
(a) Účinnost transformátoru ve skutečnosti není taková, jak vyšlo v bodě 5. Je o něco větší. Proč? Co bychom potřebovali
změřit, abychom účinnost mohli určit správně?
Nápověda: I při vypnuté žárovce teče primárním obvodem proud. Přitom má jen nepatrný příkon.
(b) Jak primární obvod „pozná“, že jsme vypnuli žárovku, když nejsou propojeny žádným vodičem?
(c) Při rozpojení jádra se sníží účinnost transformátoru. Kam se ztrácí dodávaný příkon?
(d) Proč je jádro tvořeno vrstvou tenkých plechů a ne masivním kusem železa?
Nápověda: železo je vodič.
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Obvody s tranzistorem
Vybavení: nepájivé pole, vodiče, zdroj napětí 3V DC,
součástky dle seznamu níže
úkol 1: Sestavte tranzistorový spínač.
1. Sestavte obvod podle schématu č. 1. Ke zdroji připojujte
až po kontrole celého zapojení.
2. Kontakty vstupu propojte prsty a sledujte svit LEDky.
3. Popište stručně chování obvodu:
úkol 2: Sestavte tranzistorový zesilovač.
1. Sestavte obvod podle schématu č. 2. Ke zdroji připojujte až po kontrole celého zapojení. Jako zdroj signálu na vstupu
použijte akustický signál (JACK 3,5 mm, např. z mobilu).
2. Pomocí reostatu R1
nastavte vhodný pracovní bod zesilovače.
3. Pomocí fotodiody připojené k zesilovači s reproduktory přeneste signál do audio výstupu.
4. Popište stručně chování obvodu a význam použitých součástek:
*úkol 3: Změřte proudové zesílení tranzistoru.
B
C
E
RC
vstup
+3V
0V
RB
C
R1
B
C
E
RC
vstup
+3V
0V
RB
RC
= 47 W
RB
= 10 kW
tranzistor NPN
LED
RC
= 47 W
RB
= 10 kW
R1
= 0 až 1 MW
C = 10 mF
tranzistor NPN
LED
schéma č. 2schéma č. 1
jméno:
spolupracovali:
body:
+ –
Zapojení nepájivého pole
C
B
E
tranzistor
– +
LED
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Měření vzdálenosti stop CD a DVD
Vybavení: CD, DVD, laser, pravítko, stojan
Úkol: Pomocí difrakce změřte vzdálenost stop na povrchu CD a DVD
1. Při dopadu laserového světla na povrch CD dochází k difrakci na mřížce tvořené
jednotlivými stopami (strukturu stop ukazuje snímek z mikroskopu). Úhel, pod
kterým pozorujeme jednotlivá maxima závisí na mřížkové konstantě. Zapište
podmínku pro polohu maxima a odvoďte z ní vztah pro velikost mřížkové
konstanty:
2. Zjistěte vlnovou délku použitého světla:
3. Navrhněte uspořádání experimentu tak, abyste dokázali změřit úhel a pro maximum prvního a druhého řádu.
Zakreslete:
4. Na základě zjištěných údajů vypočítejte mřížkovou konstantu b - vzdálenost stop.
5. Opakujte měření pro DVD.
6. Všechny výsledky zapište přehledně do tabulky:
a1
(1. maximum) a2
(2. maximum) b1
b2
průměrné b
CD
DVD
7. Vypočítejte celkovou délku datové stopy zcela zaplněného CD a DVD v metrech.
jméno:
spolupracovali:
body:
Fyzikální cvičení - 3. ročník
Optická zobrazení
Vybavení: čočky, optická lavice, zdroj světla
Úkol 1: Změřte ohniskovou délku dvou různých čoček
1. Na optické lavici sestavte zdroj, spojnou čočku a stínítko.
2. Zakreslete náčrt zobrazení:
3. Zvolte postupně tři různé varianty zobrazení pro jednu čočku. Všechny výsledky zaznamenávejte do tabulky.
4. Opakujte měření se spojnou čočkou jiné ohniskové délky. Všechny výsledky zaznamenávejte do tabulky.
5. Napište zobrazovací rovnici a pomocí ní vypočítejte hodnoty f a zvětšení a dopište do tabulky k naměřeným hodnotám.
změřené hodnoty vypočítané hodnoty
a a´ f zvětšení
1. čočka
1
2
3
2. čočka
4
5
6
6. Zapište získané ohniskové délky obou čoček:
7. Popište, které vady obrazu bylo možné u čoček pozorovat:
jméno:
spolupracovali:
body:
Úkol 2: Mikroskop
1. Pomocí dvou spojných čoček různé ohniskové délky sestrojte mikroskop a otestujte jeho funkci.
2. Zakreslete náčrt zobrazení. Vypočítejte úhlové zvětšení vašeho mikroskopu.
3. Jak bychom dosáhli většího zvětšení?
Úkol 3: Kepelrův dalekohled
1. Pomocí dvou spojných čoček různé ohniskové délky sestrojte Keplerův dalekohled a otestujte jeho funkci.
2. Zakreslete náčrt zobrazení. Vypočítejte úhlové zvětšení vašeho dalekohledu.
3. Jak bychom dosáhli většího zvětšení?