CC BY
5ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ФИЗИКА УДК 372.853
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ДЕЛИТЕЛЕЙ НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ВЛИЯНИЯ ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ВОЛЬТМЕТРА НА РЕЖИМ РАБОТЫ
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ
С.В. Симукова
Брянский государственный университет имени акад. И.Г. Петровского
В статье рассматривается эксперимент с использованием самодельного прибора для обоснования необходимости учета внутреннего сопротивления при выборе электроизмерительного прибора. Ключевые слова: делитель напряжения, вольтметра, внутреннее сопротивление вольтметра.
Федеральным государственным стандартом высшего образования по направлению подготовки «Педагогическое образование» предусматривается формирование у студентов умения реализовывать образовательные программы по учебным предметам. Поэтому при подготовке будущего учителя физики необходимо учесть требования стандарта полного (среднего) общего образования по физике.
Одними из важнейших умений, формируемых у школьников при изучении раздела «Электродинамика», являются умения составлять электрические схемы, анализировать режим работы цепей, осознанно выбирать электроизмерительные приборы. В связи с этим возникает необходимость обсуждения с учащимися влияния электроизмерительных приборов на режим работы электрических цепей.
При изучении электроизмерительных приборов с учащимися анализируется, что сопротивление амперметра должно быть мало, а сопротивление вольтметра велико, чтобы при подключении этих приборов режим работы электрической цепи не изменялся [2]. Реальные же приборы обладают конечным сопротивлением, поэтому включение их в электрическую цепь для измерений изменяет общее сопротивление этой цепи. Соответственно нарушается режим работы цепи, и показания приборов могут значительно отличаться от рассчитанных теоретически для идеального случая.
Мы предлагаем изготовить самодельный прибор, с помощью которого можно обосновать необходимость учета внутреннего сопротивления вольтметра при измерении напряжения на участках цепи [1]. Для этого используют делители напряжения.
Рассмотрим три делителя напряжения на резисторах с одинаковыми коэффициентами передачи. Принципиальная схема устройства изображена на рисунке 1.
Рис.1
В плечах делителей - подобранные попарно одинаковые резисторы. В этом случае напряжение на выходе всех делителей должно быть равно половине входного напряжения в случае использования идеального вольтметра с бесконечным внутренним сопротивлением. С реальными вольтметрами дело обстоит иначе.
Будем измерять выходное напряжение указанных делителей напряжения следующими вольтметрами: приборов АВО-63, Щ4313, АРРА-62, демонстрационным вольтметром (из набора L-микро), демонстрационным вольтметром (стрелочным), лабораторным вольтметром из школьного кабинета физики.
Делители удобно смонтировать на панели, вмонтировав в нее клеммы для подключения проводов (фото 2). Подадим на вход делителей постоянное напряжение 4 В, например, от источника электропитания ИЭПП-2.
Рис. 2
Будем измерять напряжение на выходе каждого делителя различными вольтметрами. Результаты измерений занесем в таблицу. В ней мы указали также внутреннее сопротивление вольтметров. Для части из них мы взяли его из паспорта к прибору, для остальных (демонстрационные и лабораторный вольтметры) - измерили сами._
Входное напряжение 4В
прибор Мультиметр Щ-4313 АВО-63 Дем. Дем. Лабораторный
АРРА-62 вольтметр (цифровой из набора Ь - микро) вольтметр (стрелочный) вольтметр
Внутр. сопротивл. Квнутр 10 МОм Квнутр 1 МОм Квнутр 1 МОм Квнутр 100 кОм Явнутр=700 Ом Явнутр=5 кОм
Выходное
напряжение Я2=100 Ом 2,03 В 1,96 В 1,8 В 2 В 2 В 2,4 В
Выходное
напряжение И4=10 кОм 2,04 В 1,8 В 1,7 В 1,9 В 0,4 В 1,2 В
Выходное
напряжение Иб=1 МОм 1,94 В 1,4 В 0,2 В 0,3 В 0,2 В 0,2 В
Из экспериментов делаем следующие выводы:
• если внутреннее сопротивление вольтметра значительно больше сопротивления резистора, на котором измеряется напряжение, то общее сопротивление цепи практически не изменяется, режим работы ее не изменяется и показания вольтметра близки к теоретически рассчитанным для идеального случая;
• если внутреннее сопротивление вольтметра сравнимо с сопротивлением резистора, на котором измеряется напряжение, то измерительный прибор нарушает режим работы электрической цепи. Он значительно уменьшает сопротивление нижнего плеча делителя и соответственно уменьшается напряжение на этом плече;
• если же внутреннее сопротивление вольтметра меньше сопротивления резистора, к которому он подключен для измерений, то вольтметр шунтирует резистор и напряжение на нем уменьшается практически до нуля.
Такую демонстрацию мы предлагаем использовать на занятиях по микроэлектронике, посвященным изучению электроизмерительных приборов. Студентам предлагается рассчитать - какое напряжение будет показывать вольтметр, если известно входное напряжение, сопротивления в плечах делителя и его внутреннее сопротивление по формуле:
и - ЦВх R2 К вых 7к1+ К ] К + К
Затем рассчитанное напряжение сравнивается с измеренным в эксперименте.
Данную демонстрацию можно использовать и на занятиях по методике обучения физике при изучении методики формирования у учащихся умений пользоваться измерительным средством.
Использование такого эксперимента позволяет сформировать у студентов осознанный подход к выбору вольтметра, учитывая соотношение его сопротивления и сопротивления того участка цепи, на котором измеряется напряжение.
Список литературы
1.Иноземцев В.А., Иноземцева С.В. Вводный практикум по электронике / Под ред. В.А. Иноземцева. Брянск: Издательство БГПУ, 2000. 78 с.
2.Мякишев Г.Я. Физика: Учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений / Г.Я. Мякишев, Б.Б. Буховцев, Н.Н. Сотский. М.: Просвещение, 2016. 336 с.
Сведения об авторе
Симукова С.В. - кандидат педагогических наук, доцент кафедры экспериментальной и теоретической физики, Брянский государственный университет им. академика И.Г. Петровского, simukova-svetlana@yandex.ru
APPLYING OF VOLTAGE DIVIDERS TO STUDY THE INFLUENCE OF THE VOLTMETER INTERNAL RESISTANCE IN THE ELECTRIC CIRCUIT OPERATION MODE
S.V. Simukova
Bryansk State University named after Academician I. G. Petrovsky
The article deals with an experiment using a homemade device to justify the need to consider the internal resistance when selecting electrical measuring instruments. Key words: voltage divider, voltmeter, internal resistance.
References
1. Inozemtsev V.A., Inozemtseva S.V. Introductory tutorial in electronics/ under the editorship of V.A Inozemtsev . Bryansk: Izdat. Bryanskogo gosudarstvennogo pedagogicheskogo universuteta, 2000. 78 p.
2. Myakishev G. Y. Physics: Students' Book (Grade 10) for comprehensive secondary schools/ G. Y.Myakishev, B.B. Boukhovtsev, N.N.Sotsky. M.: Prosvesheniye, 2016. 336 p
About author
Simukova S.V. - PhD in pedagogical science, assistant professor, Department of of Experimental and Theoretical Physics, Bryansk State University named after Academician I. G. Petrovsky, e-mail: simukova-svetlana@yandex.ru.
