Інформація для вчителів
Застосування
Схема досліду
В RC-колі швидкість розряджання конденсатора залежить від величини під'єднаного опору. Важливим параметром тут є час напівзміни , який перебуває в лінійній залежності від значення опору. Цю залежність і опрацьовують у цьому досліді.
Наочний приклад застосування цього принципу - керування часом в оптичному сповіщувачі диму. Він виявляє пожежі за розсіюванням світла, яке спричиняють частинки диму. При цьому сповіщувач через рівні проміжки часу випромінює світлові сигнали, момент подавання яких точно задає конденсатор.
Інша інформація для вчителів (1/2)
Попередні знання
Учні мають бути обізнані з принципом дії резистора. Крім того, вони повинні мати базове уявлення про принцип дії конденсатора.
Принцип
У цьому досліді вимірюють криві напруги під час розряджання конденсатора в RC-колі. При цьому застосовують різні опори, щоб дослідити залежність між часом напівзміни та відповідними значеннями опору.
Інша інформація для вчителів (2/2)
Навчальна мета
Учні вчаться розуміти процес розряджання конденсатора в RC-колі й розпізнавати його залежність від різних значень опору. Крім того, вони встановлюють залежність між часом напівзміни процесу розряджання та опором.
Завдання
Дослідження впливу електричного опору на час напівзміни під час розряджання конденсатора.
Правила безпеки
Для цього досліду діють загальні правила безпечного експериментування на уроках природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Сповіщувач диму
Сповіщувачі диму - незамінні рятівники життя: вони завчасно виявляють пожежі й попереджають гучним сигналом тривоги. В оптичних сповіщувачах диму конденсатори відіграють ключову роль: вони задають проміжки часу, через які світлодіод випромінює світлові сигнали, щоб перевіряти повітря приміщення на наявність частинок диму. У разі пожежі світло розсіюється на частинках і вмикається тривога.
У цьому досліді ми досліджуємо розряджання конденсатора й час напівзміни, тобто час, за який його напруга спадає вдвічі. За допомогою різних опорів ми з'ясовуємо, як працює ця технічна основа сповіщувачів диму.
Завдання
Схема досліду
- Записування кривої розряджання напруги на конденсаторі залежно від часу з використанням трьох різних опорів:
- Визначення часу напівзміни , за який конденсатор розрядився до 50% від початкового значення напруги.
- Опрацювання пар виміряних значень для і та подальше визначення залежності.
Теорія (1/2)
Електронні елементи
Конденсатор - це електричний елемент, здатний накопичувати енергію у вигляді електричних зарядів. Подібно до батареї, конденсатор можна зарядити, після чого він знову розряджається. Швидкість, з якою розряджається конденсатор, вирішально залежить від опору в колі, а також від ємності конденсатора.
Теорія (2/2)
Напругу на конденсаторі під час розряджання через опір можна описати таким рівнянням:
Тут - напруга в момент часу , а - початкова напруга в момент часу . Це рівняння показує, що напруга на конденсаторі під час розряджання спадає експоненційно.
Важливий параметр цього процесу - так званий час напівзміни . Він указує проміжок часу, за який напруга на конденсаторі спадає до половини свого початкового значення.
Обладнання
| Позиція | Обладнання | Артикул | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | Монтажна плита з гніздами 4 мм | 06033-00 | 1 |
| 2 | Cobra SMARTsense Voltage - Датчик для вимірювання електричної напруги ± 30 В (Bluetooth + USB) | 12901-02 | 1 |
| 3 | З'єднувальний модуль, корпус G1 | 39120-00 | 3 |
| 4 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
| 5 | Вимикач вкл./викл., корпус G1 | 39139-00 | 1 |
| 6 | Плівковий резистор 1 кОм, 1 Вт, корпус G1 | 39104-19 | 1 |
| 7 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 1 |
| 8 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 1 |
| 9 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 10 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 1 |
| 11 | measureAPP - безкоштовне вимірювальне програмне забезпечення для всіх пристроїв | 14581-61 | 1 |
| 12 | Конденсатор 1,0 мкФ, біполярний, корпус G1 | 39105-51 | 1 |
| 13 | Плівковий резистор 4,7 кОм, 1 Вт, корпус G1 | 39104-27 | 1 |
| 14 | Плівковий резистор 100 Ом, 1 Вт, корпус G1 | 39104-63 | 1 |
Складання (1/2)
Для вимірювання датчиками Cobra SMARTsense потрібен PHYWE measureAPP. Застосунок можна безкоштовно завантажити у відповідному магазині застосунків (QR-коди див. нижче). Перед запуском застосунку перевір, чи ввімкнено на твоєму пристрої (смартфон, планшет, настільний ПК) Bluetooth.
iOS
Android
Windows
Складання (2/2)
- Збери установку відповідно до наведеної схеми кола.
- Використай при цьому конденсатор і резистор з такими характеристиками:
- .
- Установи на блоці живлення приблизно 12 В і увімкни його.
Схема досліду
Виконання (1/3)
- Увімкни свій датчик Cobra SMARTsense Voltage, утримуючи кнопку на датчику 3 секунди.
- Відкрий measureAPP на своєму планшеті чи смартфоні й переконайся, що пристрій може з'єднуватися з пристроями Bluetooth.
- Обери датчик "Cobra SMARTsense Voltage".
- Установи в measureAPP у розділі «Конфігурація» частоту дискретизації 10 000 Гц.
Cobra SMARTsense Voltage
Виконання (2/3)
Процес заряджання і розряджання конденсатора
- Запусти вимірювання.
- Заряди конденсатор, замкнувши вимикачем з'єднання з блоком живлення.
- Переведи вимикач в інше положення й спостерігай у measureAPP, як конденсатор розряджається.
- Скористайся функцією масштабування, щоб збільшити експоненційний процес заряджання.
- Збережи вимірювання.
Виконання (3/3)
Процес розряджання конденсатора
- Повтори описаний хід дій ще з двома резисторами:
- Запиши для кожного із зазначених опорів криву напруги процесу розряджання.
- Визнач час напівзміни для кожної з пар . Занеси отримані значення до таблиці, яку знайдеш у частині «Протокол».
Протокол
Опрацювання результатів (1/2)
Занеси визначені значення часу напівзміни до відповідних опорів у таблицю.
[Ω]
[с]
Опрацювання результатів (2/2)
Придивись тепер до раніше визначених значень часу напівзміни і опору якнайуважніше.
Візьми аркуш паперу або, якщо є, придатну програму для побудови графіків. Спробуй доцільно подати дані на діаграмі. Чи можна з графічного зображення розпізнати залежність між опором і часом напівзміни ?
Завдання 1
Питання
Питання
Завдання 2
Питання
Схема досліду
Завдання 3
Процес розряджання конденсатора: Напругу, яка під час розряджання прикладена до конденсатора в RC-колі, можна описати ____ функцією. Швидкість розряджання залежить від двох вирішальних чинників: ємності ____ та значення ____. Що ____ опір, то ____ триває процес розряджання. Отже, і час напівзміни цього процесу розряджання залежить від опору. Залежність між опором і ____ можна описати ____ функцією.