Министерство образования и науки Украины

Таврический национальный университет им. В.И. Вернадского

Физический факультет

Кафедра астрономии и методики физики

Лабораторная работа № 1

Тема: Общее оборудование физического кабинета. Гальванические элементы. Школьный распределительный щит. Трансформатор

Симферополь, 2006

Лабораторная работа 1

Тема: Общее оборудование физического кабинета. Гальванические элементы и аккумуляторы. Школьный распределительный щит.

Трансформатор

1. Изучить устройство и принцип действия гальванических элементов и аккумуляторов. Зарядка аккумулятора.

2. Ознакомиться с устройством и режимом работы школьного распределительного щита. Подготовить распределительный щит к работе. Установить последо­вательно напряжение: переменное: 12В, 60В, 35В, 100В, ИОВ; постоянное: 10В, 40В, ВОВ, 220В.

3. Изучить назначение, устройство и принцип действия следующих приборов:

а) трансформатор на панели;

б) автотрансформатор. Использовать автотрансформатор для питания лампочки на 4В от электроосветительной сети. ЛАТР-1М.

в) универсальный школьный трансформатор (набор).

Литература:

1. Практикум по физике в ср. школе (Покровский А.А.,1 ч.)

2. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах ср. школы.

3. Физика. Учебник для 9 кл. ср. школы.

4. Перышкин А.В. Физика 10 кл.

5. Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах ср. школы. Буров В.А., под ред. Покровского А.А. (2 ч.)

6. Инструкции к приборам.

7. Марго лис А.А. Практикум по школьному физическому эксперименту.

8. Учебное оборудование по физике в средней школе. Под ред. Покровского А.А.

Методические задания

1. К теме "Виды источников тока" составить обобщающую таблицу.

2. К теме "Гальванические элементы" составить сравнительную таблицу характеристик гальванических элементов и аккумуляторов.

3. К теме "ЭДС источников тока" составить обобщающую таблицу видов энергии, преобразуемых в электрическую.

4. Составить блок-схему линии передачи и распределения электроэнергии от места выработки на электростанции до потребителя.

5. Составить структурно-дидактическую схему по теме "Применение трансформатора".

6. Составить план-конспект урока сообщения новых знаний по теме "Трансформатор. Передача и распределение электроэнергии" проблемным методом.

7. Составить проверочный тест для контроля усвоения знаний по теме:

а) Источники тока.

б) Гальванические элементы.

8. Составить контрольные вопросы для закрепления темы "Трансформатор".

9. Подготовить задания для актуализации опорных знаний к теме:

а) "Гальванические элементы"

б) "Трансформатор. Передача электроэнергии на расстояние".

Теоретические вопросы

1. Какие виды энергии преобразуются в электрическую?

2. Источники тока: постоянного, переменного.

3. Гальванический эффект. Принцип устройства и действия гальванических элементов: а) элемент Вольта; б) элемент Лекланше. "Сухие" элементы, их преимущества. В чем состоит сходство и различие перечисленных источников тока? На каких химических реакциях основано их действие? ЭДС источника тока. ЭДС поляризации источника тока, ее природа и влияние на ЭДС источника тока. Как запишется закон Ома для полной цепи при наличии ЭДС поляризации источника тока?

4. Аккумуляторы, принцип их устройства и действия. Кислотные и щелочные акку­муляторы, их отличия. На каких химических реакциях основан принцип их действия? Зарядка и разрядка аккумуляторов с позиций преобразования энергии.

5. Соединение гальванических элементов и аккумуляторов в батарею. Преобразовать закон Ома для полной цепи в случае включения в цепь источников тока для по­следовательного и параллельного соединения элементов.

6. Практическое применение гальванических элементов и аккумуляторов.

7. Использование их в демонстрационном и лабораторном эксперименте в курсе физики средней школы (класс, тема).

8. Определить место изучения источников постоянного тока в курсе физики средней школы в соответствие с программой (класс, тема).

9. Устройство и принцип действия трансформаторов. Повышающий и понижающий трансформаторы. Схема. Коэффициент трансформации. Виды трансформаторов. Сердечник: его устройство (почему набран из отдельных пластин, замкнут?) и на­значение (гипотеза Ампера, магнитопровод). Автотрансформатор ЛАТР. Процессы, происходящие при работе трансформатора, нагруженного и на холостом ходу. (Чему равен ток в первичной обмотке трансформатора, если вторичная катушка не нагружена? Чему равен ток в первичной обмотке, если вторичная обмотка замкнута на нагрузку?).

10. Использование трансформатора для передачи и распределения энергии. (Зачем используется трансформатор при передаче энергии? Доказать с позиций законов постоянного тока). Назначение трансформатора на электростанции и подстанции, ЛЭП.

11. Использование трансформатора в демонстрационном и лабораторном экспери­менте (фронтальные лабораторные работы и физпрактикум) в курсе физики (класс, тема). Рассмотреть этот вопрос с учетом комплекта оборудования к школьному трансформатору.

12. Определить место изучения трансформатора в курсе физики средней школы в соответствие с программой.

13. Явление э/м индукции. Индукционные генераторы переменного тока. Генераторы постоянного тока. Принцип устройства и действия.

Аккумуляторы являются источниками постоянного тока низкого напряжения. В школьной практике обычно применяют щелочные аккумуляторы железоникелевые (ЖН) или кадмиево-никелевые (КН) (рис). На корпусе аккумулятора указывается его марка, например КН-10, что означает: аккумулятор кадмиево-никелевый емкостью 10 А-ч (ампер-часов). По емкости и напряжению аккумулятора можно судить о той энергии, которую он отдает при нормальном разрядном токе. Так, аккумулятор КН-10 при нормальном разрядном токе 1,25 А за 8ч отдает заряд 10 А • ч.

Аккумуляторы обладают большим постоянством напряжения и способны выдерживать сильные разрядные токи. Щелочные аккумуляторы не портятся от кратковременных коротких замыканий.

Для защиты корпуса от коррозии и от разъедания солями, выделяющимися из электролита, наружная поверхность корпуса аккумулятора покрывается битумным лаком.

При объединении аккумуляторов в батареи для них делают деревянные пластмассовые бортики, которые соединяют стяжными болтами или скрепляют деревянными брусками. Иногда аккумуляторы помещают в ящики. Корпусы аккумуляторов изолируют друг от друга, а зажимы соединяют никелированными пластинами.

Электролитом для щелочных аккумуляторов служит раствор едкого калия КОН плотностью 1,19—1,21 г/см или раствор едкого натрия NaOH плотностью 1,17—1,19 г/см³. Для приготовления электролита можно использовать дистиллированную, дождевую, снеговую или грунтовую воду. Электролит готовят в стеклянной, эмалированной или глиняной посуде. Едкий калий (натрий) небольшими порциями добавляют в воду, доводя плотность электролита до необходимого значения. Для приготовления электролита плотностью 1,19 г/см³ необходимо на 1 л электролита 255 г едкого калия. Плотность электролита проверяют ареометром. (Это можно сделать путем определения массы и объема.)

Во время приготовления электролита и его заливки в аккумуляторы необходимо соблюдать меры предосторожности: избегать попадания электролита на тело и одежду человека, размешивать раствор стеклянной палочкой, переливать только после его охлаждения до 30°С, хранить в стеклянной посуде с притертой пробкой.

Новый аккумулятор заливают электролитом и оставляют на 2 ч. Исправный аккумулятор имеет напряжение на зажимах 0,6—0,8 В. Для проверки уровня электролита в отверстие для пробки опускают стеклянную трубку до упора в пластины аккумулятора, пальцем закрывают верхнее отверстие трубки и после этого вынимают. Уровень электролита должен быть 5—10 мм выше верхнего края пластин.

После заливки аккумулятора в электролит вводят несколько капель вазелинового масла для предохранения его от углекислого газа из воздуха, так как углекислый газ, реагируя с электролитом, портит его.

Для защиты корпуса аккумулятора от разъедания выделяющимися солями верхнюю крышку аккумулятора заливают слоем парафина.

При нормальной эксплуатации нельзя допускать, чтобы напряжение на зажимах аккумулятора было ниже 1,1В.

Зарядку аккумулятора осуществляют от источника постоянного тока (рис. 2). При зарядке аккумуляторы можно последовательно включать только одинаковой емкости. Выбор источника тока определяется расчетно: на одну банку аккумулятора необходимо напряжение 2 В. Зарядный и разрядный ток определяется по емкости аккумулятора; зарядный ток численно равен 1/4 емкости аккумулятора, а нормальный разрядный 1/8 емкости. Например, аккумулятор ЖН-22 следует заряжать от источника, сила тока которого равна 5,5 А, НКН-10 — 2,5 А. . Нормальный заряд длится 6 ч. В конце заряда напряжение на каждом аккумуляторе (при разомкнутой цепи) должно быть 1,8 В. Новые кадмиево-никелевые аккумуляторы подвергают формовочному заряду: 6 ч заряжают током, равным 1/4 емкости, затем уменьшают ток в 2 раза и еще заряжают 6 ч. После зарядки батарею аккумуляторов разряжают через реостат нормальным раз­рядным током в течение 8 ч. Такой цикл заряд—разряд проводят 3—4 раза. Железоникелевые аккумуляторы при формовочном заряде заряжают в течение 12 ч током, равным 1/4 емкости. Зарядку аккумуляторов осуществляют при отвернутых пробках.

В физическом кабинете аккумуляторы применяют при демонстрации опытов и проведении лабораторных работ. Обычно аккумуляторы собирают в батареи по три штуки. Так как напряжение на одном аккумуляторе 1,2—1,3 В, то напряжение батареи из трех аккумуляторов 3,6—4 В. Для демонстрационных целей удобно применять аккумуляторы ЖН-22, для лабораторных работ— НКН-10.

При эксплуатации аккумуляторов следует помнить, что корпус аккумулятора соединен с положительными пластинами, Поэтому нельзя допускать случайного соединения с корпусом провода, подключенного к отрицательному полюсу; нельзя также ставить аккумуляторы, соединенные в батареи, на металлические подставки.

Аккумуляторы в школьных условиях можно заряжать от выпрямителей ВС-24М, ВС-4-12 и других источников питания, имеющих выпрямленное низкое напряжение и рассчитанных на достаточно большую силу тока.

Рассмотрим в качестве примера, как зарядить лабораторные аккумуляторы НКН-10, объединенные в батареи по три штуки. Пусть число батарей 20. По емкости аккумулятора находим, что сила тока при заряде аккумуляторов НКН-10 должна быть 2,5 А. 20 батарей содержат 60 аккумуляторов, Если все их включить последовательно, то необходим источник тока напряжением не ниже 120 В и максимальной силы тока не менее 2,5 А. Допустим, нужно зарядить эти аккумуляторы, применяя ВС-24М. Сле­дует учесть, что максимально возможное напряжение 24В, а сила тока 10А. Следовательно, в цепи последовательно соединенных аккумуляторов должно быть не более 24:2=12 штук.