Индивидуальный проект "Физическое измерительное оборудование"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение -

Средняя общеобразовательная школа №2 им. И.Г.Петровского г.Севска

Индивидуальный проект

Тема: Физическое измерительное оборудование

Выполнил

ученик 10 класса

Моисеев Николай Александрович

Руководитель проекта Ф.И.О. Мишина Галина Вячеславовна

Работа допущена к защите «_____» _______________ 2024 г.

Подпись руководителя проекта __________________ (__________________)

Севск 2024 г.

Индивидуальный план выполнения проекта.

Ф.И Моисеев Николай

Этапы	Виды деятельности	Планируемая дата исполнения	Дата фактически	Подпись руководителя
Подготовка	Выбор темы учебного проекта и тем исследований обучающихся; Разработка основополагающего вопроса и проблемных вопросов учебной темы	28.09.2023
Планирование	Формулировка задач, которые следует решить; Выбор средств и методов решения задач; Определение последовательности и сроков работ	12.10.2023
Процесс проектирования	Самостоятельная работа	1.02.2024
	Оформления записки, плакатов и др.	10.03.2024
Итог	Достигнутый результат	8.04.2024
	Оформление	15.04.2024
Защита		22.04.2024

Паспорт проекта

Название проекта: Физическое измерительное оборудование

Руководитель проекта: Мишина Галина Вячеславовна

Автор проекта: Моисеев Николай Александрович

Учебная дисциплина: Физика

Тип проекта: Информационно-исследовательский

Цель работы

1) Повышение практических навыков в области экспериментальных методов обращения с оборудованием и лабораторных процедур

2) Проведение экспериментов для изучения и понимая различных физических явлений

Эти цели направлены на углубление понимания, содействие научным исследованиям и развитие необходимых навыков в области физических экспериментов.

Задачи работы

1. Разработка карточек для лабораторных работ

2. Проведение исследований и разработок для изготовления карточек к лабораторным работам

Вопрос проекта

Использование физического оборудования на уроках физики.

Краткое содержание проекта

Проект «Физическое измерительное оборудование» направлен на улучшение знаний о физическом оборудовании, которое используется при выполнении лабораторных работ учениками для измерения различных физических величин, таких как напряжение в проводнике, сила тока в проводнике, сопротивление проводника, время. Также в нём уделяется особое внимание практическому применению физического оборудования, его истории открытия, видам, единицам измерения, практическим экспериментам и выполнению лабораторных работ по физике учащимися. В проекте уточняются технические характеристики физических измерительных приборов.

Результат проекта (продукт)

Карточки к лабораторным работам по физике.

Оглавлени

Введение 6

1. Теоретическая часть 7

1.1. Определение, важность и применение физического измерительного оборудования 7

1.2. Виды измерительного оборудования 7

1.2.1. Измерительное оборудование в электричестве 8

1.2.1.1. Амперметр 8

1.2.1.2. Вольтметр 11

1.2.1.3. Секундомер 17

1.2.1.4. Источник электрического тока 19

1.2.1.5. Лампочка 21

1.3. Будущие разработки оборудования в будущем 23

2. Практическая часть 24

2.1. Анкетирование 24

2.2. Результаты анкетирования 24

3. Заключение 27

4. Список литературы 28

Введение

Проведение экспериментов и исследований, лабораторных работ на уроках физики с использованием физического измерительного оборудования. В проекте можно узнать о истории создания физического измерительного оборудования. Проект помогает закрепить теоретические знания, полученные на уроках физики, и способствует более глубокому пониманию принципов работы лабораторного оборудования.

Актуальность: проект «Физическое измерительное оборудование» является актуальным в современном мире, поскольку позволяет нам получать надёжные данные, проверять теории.

Объект исследования: физическое измерительное оборудование

Предмет исследования: создание карточек к лабораторным работам

Цель проекта:

1) Повышение практических навыков в области экспериментальных методов обращения с оборудованием и лабораторных процедур

2) Проведение экспериментов для изучения и понимая различных физических явлений

Задачи проекта:

• Разработка карточек для лабораторных работ

• Проведение исследований и разработок для изготовления карточек к лабораторным работам

• Защитить проект.

Методы исследования:

• Проведение лабораторных работ

• Анализ литературы

• Анкетирование учащихся;

Практическая значимость моего проекта заключается в том, что он может быть использован при выполнении лабораторных работ на уроках физики. Проект позволяет закрепить свои знания по измерения физических величин, также заключается в способности повысить производительность, точность при использовании физического оборудования.

1. Теоретическая часть 1.1. Определение, важность и применение физического измерительного оборудования

Физическое измерительное оборудование — это технические устройства, предназначенные для измерения различных физических величин. Они используются в различных областях науки и техники для контроля качества продукции, измерения параметров электрических цепей, контроля давления и температуры и т.д.  Сегодня измерительные приборы широко используются в пищевой, торговой, промышленной и других сферах, в том числе и бытовых.

Благодаря высоким научным и техническим открытиям данная отрасль получила достаточно большое развитие. Инновационные технологии дают возможность регулярно модернизировать и улучшать современные устройства, что дает возможность использовать продукцию в различных сферах и отраслях.

Сегодня измерительное оборудование используется во многих сферах жизнедеятельности. Современные разработки значительно упрощают основные процессы и являются незаменимыми для проведения различных измерений и определения параметров состояниях объектов и процессов.

1.2. Виды измерительного оборудования

Измерительное оборудование делится между собой по своему назначению, внешнему виду и принципу работы.

Электроизмерительные приборы. Устройства активно используются для измерения электрических величин. В список приборов входят: омметры, фазометры, амперметры, вольтметры, стабилизаторы, магнитометры, счетчики и другие устройства.

Расходомеры. Используются для учета воды и тепла в жилых и промышленных помещениях. Расходомер представляет собой устройство, которое ведет подсчет проходимого через сечение трубопровода вещества. Устройство может быть представлено со счетчиком и без него. Особой популярностью пользуются электромагнитные расходомеры. Устройство гарантирует высокую точность и производительность.

Контрольно-измерительное оборудование. Такое устройство используется для измерения параметров окружающей среды. Кроме того, действие производится как внутри помещения, так и за его пределами. Несмотря на широкий ассортимент измерительных приборов, чаще всего они определяют два параметра — температуру и влажность окружающей среды. В список устройств входят: тепловизоры, гигрометры, термографы, индикаторы влажности и другие приборы.

1.2.1. Измерительное оборудование в электричестве 1.2.1.1. Амперметр

История

Впервые о создании прибора заговорили в 19 веке. Измерять силу тока было принято по отклонению магнитной стрелки на компасе. На протяжении десятилетий конструкция прибора была усовершенствована. К концу 19 века были утверждены официальные величины измерения, тогда же и получил свое окончательное название прибор «амперметр». В начале 20 века амперметры стали использоваться в промышленности. В современном мире их внедрили в сферы услуг, в частности в ателье по ремонту радиоаппаратуры. Тем не менее, название устройство получило в честь известного ученого и изобретателя Ампера.

Многоканальный амперметр был применим достаточно широко в первой половине 20 века. Его применяли в различных отраслях промышленности, особенно в электротехнической сфере.

Амперметр — это электроизмерительный прибор, который предназначен для измерения силы электрического тока в каком-нибудь участке электрической цепи. Эта величина задается единицах, называемых амперами, отсюда и название прибора — «Амперметр». На практике значения электрического тока измеряются в различных диапазонах — от микроампер (мкА) до килоампер (кА).

На схемах амперметр изображают кружком с буквой А в центре.

Типы амперметров их устройство и принцип работы

Существует два типа амперметров: аналоговые, показывающие значение путем отклонения стрелки механического устройства, и все чаще использующиеся в настоящее время цифровые приборы, оснащенные сложными электронными схемами.

При изготовлении аналоговых амперметров необходимо использовать эффекты, зависящие от величины электрического тока. Чаще всего они связаны с созданием магнитного поля проводником, в котором течет электрический ток. Чем выше сила тока, тем больше эффект, производимый данным явлением.

Каждый аналоговый амперметр имеет подвижную и неподвижную части. К подвижной части прикреплена стрелка, которая перемещается по шкале и позволяет считывать показания прибора. Чтобы избежать ошибок при снятии показаний, которые вызваны эффектом параллакса, следует смотреть на стрелку под прямым углом к ​​шкале, чему способствует зеркало, расположенное рядом со шкалой.

Магнитоэлектрический амперметр

На проводник с электрическим током, помещенный в магнитное поле, действует электродинамическая сила, величина которой зависит от абсолютной величины электрического тока, длины проводника и величины магнитной индукции.

Магнитное поле создается постоянным магнитом, сформированным таким образом, чтобы поле было радиальным. Таким образом, каждый фрагмент взаимодействующего проводника всегда перпендикулярен вектору индукции магнитного поля, независимо от положения катушки с указателем.

Пружина, противодействует вращению катушки таким образом, что устанавливается равновесное положение в зависимости от силы тока, значение которой можно определить по стрелке, расположенной над шкалой амперметра.

Таким образом, описанный амперметр показывает направление протекания электрического тока. Его можно использовать только для постоянного или однонаправленного тока. Такова, в частности, конструкция гальванометров.

Электродинамический амперметр

Две катушки, по которым течет электрический ток, взаимодействуют друг с другом с помощью магнитного взаимодействия.

Электродинамический амперметр состоит из двух катушек — подвижной и неподвижной.

Если через обе катушки протекает электрический ток, значение которого мы хотим измерить, магнитные поля будут взаимодействовать, вызывая отклонение подвижной катушки и прикрепленного к ней указателя (стрелки). Этот эффект не зависит от направления протекания электрического тока. Электродинамический амперметр может использоваться для измерения постоянного и переменного тока, включая быстро меняющийся ток. Это точные устройства, но дорогие. Чаще всего они используются в лабораториях в качестве эталонных измерительных приборов.

Индукционный амперметр

В металлическом вращающемся диске вихревые токи индуцируются под воздействием магнитных полей, создаваемых катушками, в которых протекает переменный электрический ток.

Электрические токи I1 и I2, протекающие в катушках электромагнитов, создают пульсирующие магнитные потоки, которые вызывают вихревые токи в диске, помещенном в воздушный зазор электромагнитов.

Вихревые токи также создают магнитное поле, которое отталкивающе взаимодействует с полем катушки, заставляя диск вращаться.

Индуктивный амперметр можно использовать только для измерения переменного тока, т.к. постоянный ток не будет вызывать вихревые токи в диске. Этот тип конструкции в настоящее время используются только в качестве счетчиков электроэнергии.

Как пользоваться и подключать амперметр к цепи?

Для измерения силы тока в простейшей электрической цепи мы должны обязательно разорвать цепь в любом месте и в этот разрыв подключить прибор. Такое подключение называют последовательным. То есть, например, для измерения силы тока в проводнике амперметр подключают последовательно с этим проводником — в этом случае через проводник и амперметр идёт одинаковый ток.

В цепи, состоящей из источника тока и ряда проводников, соединённых так, что конец одного проводника соединяется с началом другого, сила тока во всех участках одинакова. Это следует из того, что заряд, проходящий через любое поперечное сечение проводников цепи за 1 с, одинаков. Когда в электрической цепи существует ток, то заряд нигде в проводниках цепи не накапливается, подобно тому как нигде в отдельных частях трубы не собирается вода, когда она течёт по трубе. Поэтому при измерении силы тока амперметр можно включать в любое место цепи, состоящей из ряда последовательно соединённых проводников, так как сила тока во всех точках цепи одинакова. Если включить один амперметр в электрическую цепь до лампы, другой после неё, то оба они покажут одинаковую силу тока.

Для каждого амперметра существует верхний предел измерения (предельная сила тока), то есть по шкале амперметра видно, на какую наибольшую силу тока он рассчитан. Включение амперметра в электрическую цепь с большей силой тока недопустимо, так как он может выйти из строя.

При включении прибора необходимо соблюдать полярность, т. е. клемму прибора, отмеченную знаком «+», нужно подключать только к проводу, идущему от клеммы со знаком «+» источника тока. При правильном включении прибора электрический ток через амперметр должен идти от клеммы « + » к клемме « — » .

При включении в цепь амперметр, как всякий измерительный прибор, не должен влиять на измеряемую величину. Поэтому он устроен так, что при включении его в цепь сила тока в ней почти не изменяется. Как мы уже знаем, любые измерительные электроприборы обладают определенным электрическим сопротивлением. При включении последовательно в электрическую цепь амперметра его электрическое сопротивление добавляется к полному электрическому сопротивлению электрической цепи. Это вызывает нежелательное уменьшение силы тока. Чтобы этого не случилось, сопротивление амперметра должно быть мало. Идеальным был бы амперметр без сопротивления (R = 0), но на практике этого достичь невозможно.

Как увеличить диапазон измерения амперметра?

Чтобы измерение тока было как можно более точным, нам необходимо использовать соответствующий диапазон измерений. Попытка считывания значений в несколько мА, когда шкала перекрывает измерения до 100 А закончится тем, что мы даже не заметим отклонения стрелки амперметра.

Разработчики амперметров используют различные технические решения для того, чтобы иметь возможность измерять силу тока в различных диапазонах. В некоторых случаях мы можем сами изменить диапазон измерения прибора. Если мы добавим к нему дополнительный резистор (так называемый шунт), мы сможем измерять более высокие токи, не подвергая хрупкую структуру амперметра разрушению.

По конструктивным соображениям шунтирующий резистор используется только для магнитоэлектрического амперметра.

1.2.1.2. Вольтметр

История

Прародителем всех современных вольтметров стал своеобразный указатель «электрической силы», о которой еще никто ничего толком не знал. Его изобретателем стал русский физик Георг Рихман. Датой этого открытия считается 1745 год. Показатели измерялись с помощью небольших весов рычажного типа, которые колебались в зависимости от воздействий электричества. Этот основной принцип используется во всех современных вольтметрах.

Модернизированная версия прибора появилась в 1830-х годах благодаря Фарадею, но не осталось никаких доказательств этому. Следующий по счету прибор был придуман Морицом Якоби в 39 году 19 века, когда тот смог превратить гальванометр в прибор для измерения характеристик электрического тока.

Серьезным этапом модернизации стало изобретение француза д’Арсонваля, придумавшего гальванометр для измерения магнитных и электрических полей. При их изменении прибор показывал разные значения.

Георг Рихман — один из первых изобретателей вольтметра

Русские ученые П. Яблочков и М. Добровольский также внесли огромный вклад в развитие прибора. Добровольский, в частности, создал амперметр и электромагнитный вольтметр. Кроме них, над этим работал и Н. Славянов. Рабочий металлург на пушечных заводах придумал амперметр на 1000 Ампер в 1880-х.

После утверждения Ампера и Вольта в качестве электротехнических величин в международных стандартах. Немец Фридрих Циппенбон изобрел первое устройство, которое официально было названо «вольтметр».

Значение вольтметра

Вольтметр — прибор, предназначенный для измерения напряжения электрического тока в цепи. Его название происходит от единицы измерения напряжения — Вольта и традиционного для всех измерительных приборов окончания «метр». Для начала его использования нужно всего лишь включить его в сеть. Сразу после этого он начнет показывать параметр напряжения.

Погрешности возможны в любых даже современных инструментах. Без них никуда, но они незначительны. Чтобы погрешность стремилась к нулю нужно, чтобы внутреннее сопротивление прибора стремилось к бесконечности. Если этого не будет, то влияние на прибор цепи, к которой он подключен, неизбежно. Конечно, такого сопротивления быть не может, как и идеальных вольтметров.

Основная задача вольтметра состоит в измерении разности потенциалов между двумя точками в электрической цепи. Для этого он использует принцип работы, основанный на электродинамическом или электронном измерении напряжения. Технические характеристики вольтметров могут быть различными, но основное свойство, которым они обладают, — это высокая точность измерения.

Современный стрелочный вольтметр

Шкала прибора отмечена латинской буквой «V». Это внешне отличает его от амперметра и других приборов. Других отличий между ними мало. Они вполне могут выглядеть практически одинаково.

Диапазон измерения прибора может быть разным. Устройства для слабой сети показывают максимум 5 Вольт, а промышленные аппараты — до 1000 Вольт. Все зависит от его предназначения.

Виды вольтметров

Видов современных вольтметров большое количество. Так по принципу действия они разделяются на электромеханические и электронные. По назначению на вольтметров для постоянного, переменного, импульсного тока, универсальные и фазовые.

Стационарные

Стационарные вольтметры представляют собой устройства, которые питаются от сетей переменного напряжения. Возможно это благодаря встроенному в их корпус блоку питания. Как правило, с виду они похожи на коробку или ящик, а используются для узкоспециализированных работ, требующих повышенной точности измерений. Чаще всего это профессиональная сфера деятельности и контролирование напряжения на важных и нестабильных участках сети. Само слово «стационарный» говорит о том, что они применяются там, где нужна постоянная слежка и изменение данных.

Мобильные

Их еще называют переносными, хотя стационарный прибор иногда перенести также не составляет труда. Мобильный же вольтметр компактный и способен поместиться практически везде. Их относят к классу полупрофессиональных и любительских, потому что работают они от батареек или аккумуляторов и обладают сравнительно меньшими точностями и большими погрешностями. Выглядят они как плоские коробочки, «обитые» пластиком или резиной и имеющие эргономические формы. Чтобы они были еще удобнее, их оснащают съемными щупами для определения амплитудных колебаний сигналов.

Как правило, мобильные вольтметры включаются в состав тестеров и мультиметров. Мобильные цифровые вольтметры способны очень точно определить показания, в то время как портативные аналоговые приборы — показать хорошую чувствительность, способную определить даже самые маленькие отклонения напряжения, которые не могут определить цифровые приборы.

Электромеханические

Процесс измерения основан на прямой линейной зависимости движения механического вида от напряжения. Стрелка прибора находится на рамке с обмоткой, расположенной на вращающейся оси внутри постоянного магнита.

При возникновении в рамке напряжения, вокруг нее появляется электромагнитное поле. В результате рамка со стрелкой поворачивается в магнитном поле на определенный угол, величина которого зависит от измеряемой величины. Чувствительностью прибора называется коэффициент пропорциональности между значением угла поворота рамки и напряжением. Чтобы не было колебаний вращающейся рамки со стрелкой, используют магнитно-индукционный демпфер.

Он выполнен в виде алюминиевой пластины, закрепленной на оси, и движется совместно со стрелкой в магнитном поле. Вихревые токи при этом препятствуют колебаниям рамки, поэтому возникающие колебания стрелки затухают. Воздушные демпферы вольтметров состоят из цилиндров с поршнями, которые связаны механическим путем со стрелкой. При возникающих колебаниях стрелки поршень сглаживает их путем затормаживания в цилиндре. Чтобы точность измерений была высокой, прибор не должен зависеть от силы тяжести, стрелка должна отклоняться только от действия катушки в поле магнита, а не от силы тяжести. Поэтому подвижные элементы оснащают специальными грузиками, играющими роль противовесов.

Для уменьшения трения металлические наконечники изготавливают из прочной стали, затем полируют их. Подпятники выполняют из твердых камней. Зазор между подпятником и полированным наконечником регулируется винтом. Направление поворота стрелки зависит от полярности тока, протекающего через катушку. Поэтому для правильных измерений необходимо соблюдать полярность.

Электронные вольтметры

Приборы с электронной начинкой делятся в свою очередь на аналоговые и цифровые. Они отличаются тем, что в аналоговых приборах имеется стрелка и шкала, а в цифровых приборах значение напряжения выводится на цифровой экран. Аналоговые приборы работают по принципу преобразования переменного входного напряжения в постоянное. Затем оно усиливается и поступает на детектор, сигнал от которого отклоняет стрелку. Чем выше напряжение входа, тем больше отклонится стрелка.

Цифровые

Такие приборы работают с большей точностью, в отличие от аналоговых моделей. Принцип их работы заключается в изменении аналогового входного сигнала в цифровой вид. При этом кодированный цифровой сигнал приходит на устройство, преобразующее двоичный код в цифры, отображаемые на экране. Точность измерений цифровых вольтметров зависит от дискретности аналого-цифрового устройства, преобразующего сигнал.

Вольтметры в сети переменного тока

Работа таких устройств заключается в преобразовании переменного значения напряжения в постоянное. После этого сигнал усиливается и поступает на измерительный механизм магнитоэлектрического действия.

Импульсный вольтметр

Такой прибор способен измерить короткие импульсы напряжений в сети. Разберем устройство и работу импульсного вольтметра на примере устройства для поиска неисправностей в электрической сети автомобиля. Он служит для поиска импульсных помех.

Около 5% неисправностей автомобиля возникают из-за неисправностей электрической проводки в виде помех и исчезающего контакта. У старого автомобиля таких неисправностей больше. Простыми вольтметрами и тестерами такие неисправности невозможно, так как они не реагируют на одиночные импульсы, приводящие к сбою и выходу из строя оборудования.

Бортовой компьютер автомобиля при неисправностях выдает сигнал. При проверке выясняется, что это коды – ошибки. Ремонтники меняют свечи, сам компьютер, выполняют другие работы. Но по-прежнему выдается «ошибка двигателя», а кодов неисправностей нет, так как импульсы, вызванные неисправностями, не улавливаются.

Для решения этих проблем существует прибор, измеряющий импульсные сигналы напряжения. Он срабатывает при появлении одиночного импульса. На корпусе устройства имеется переключатель чувствительности.

Фазочувствительный вольтметр определяет общее напряжение в комплексе. При этом начальная фаза опорного напряжения принимается за ноль. Такие типы приборов нашли применение в лабораторных исследованиях фазоамплитудных характеристик четырехполюсных усилителей и т.п.

Селективные

Вольтметры, способные избирательно выделить гармонические составляющие сложного сигнала и среднеквадратичную величину напряжения, называют селективными. По конструктивным особенностям и принципу работы такие приборы подобны устройству супергетеродинного радиоприемника, без регулятора усиления.

Универсальные

Название прибора говорит само за себя. С помощью такого вольтметра можно измерить ЭДС в любых цепях и при любых условиях. Чаще всего они имеют в комплекте набор различных шунтов в виде гасящих резисторов.

Универсальные измерители напряжения обладают множеством функций и возможностей, имеют незначительный расход энергии, и могут определить напряжение, как в аналоговом, так и в цифровом виде. Они применяются в различных сферах производства, науки, техники, лабораторных исследованиях.

Щитовые

Внешний вид щитовых вольтметров аналогичен переносным приборам, с отличием в том, что устанавливаются они в специальные шкафы для контрольных приборов.

Принцип работы

Принцип действия приборов легче показать на какой-нибудь модели. В основу работы аппарата положено аналогово-цифровое преобразование. Принципы можно рассмотреть на примере универсального В7-35.

Преобразователи, которые установлены в приборе, измеряют силу тока, напряжение постоянного и переменного электрического тока, сопротивление и конвертируют все это в нормализованное напряжение или цифровой код, если в устройстве имеется аналого-цифровой преобразователь.

Схема прибора основана на нескольких преобразователях:

Преобразователь масштабирования;

Низкочастотный аппарат, преобразующий напряжение переменного тока в постоянный;

Аналогичный преобразователь постоянного и переменного электрического тока в напряжение;

Конвертер сопротивления в напряжение.

Схема вольтметра В7-35

Получая эти параметры, устройство конвертирует их в напряжение, отображаемое по специальной шкале или в электроном виде, если в нем предусмотрено наличие АЦП.

Принцип работы электромагнитного аналогового вольтметра следующий. Создание вращающего момента происходит с помощью силового действия магнитного поля катушки на подвижном постоянном магните, который выполняется в форме плоской лопасти.

Под действием магнитного поля, которое создается током, магнит втягивается в цель катушки и поворачивается на ось, содержащую указательную стрелку.

Правила подключения вольтметров в цепь:

1. Следует выбирать верный диапазон измерений прибора. Нельзя измерять большое напряжение вольтметром, который предназначен для измерений параметров микросхем;

2. Если показание прибора близко к предельному значению, следует работать с ним осторожно, так как скачек ЭДС может повредить его обмотки;

3. Стрелочный прибор нужно располагать согласно инструкции: или вертикально, или горизонтально. При контроле показаний рекомендуется исключить воздействие электромагнитных полей на прибор и вибрационных волн;

4. Подключение вольтметров можно совершать в цепь, которая уже находится под напряжением, однако при опасных величинах этого показателя нелишним будет применение специальных перчаток и диэлектрического полотна (коврика);

5. Если стрелка в аналоговом приборе перед началом снятия показаний выдает ненулевой результат, то необходимо произвести его сброс регулирующим элементом – винтом;

6. Периодически нужно проводить над прибором калибровочные мероприятия, что будет гарантом точности измерений, которые он выдает;

7. При первом использовании прибора стоит проводить его включение в обесточенную сеть – только лишь при подсоединении всех клемм и проводов устройства включается ток;

8. При измерительных процедурах во избежание травм рекомендуется ознакомиться с мерами предосторожности, которые указываются в инструкции.

1.2.1.3. Секундомер

Секундомер – это прибор, который используется для измерения времени с высокой точностью. В физике секундомеры используются для измерения длительности различных процессов и явлений.

История создания секундомера

Первый прообраз механических часов появился в 13 веке. Механизм таких часов приводился в движение подвешенной гирей. Первые наручные часы появились в Италии и Франции в начале 16 века. Такие часы работали, как бы их не поворачивали, их можно было носить в кармане или в кошельке. Они имели всего одну стрелку - часовую. К 1650 году в часах появилась вторая стрелка - минутная, а секундная - в 1750 году. К этому же времени историки относят и появление первых механических секундомеров. Они, как правило, использовались в астрономии при наблюдении небесных явлений. Устройство этих секундомеров не менялось вплоть до середины 20 века. Оно было достаточно просто по сравнению с обычными часами. Управление этим механическим прибором состояло всего из одной кнопки. Одно нажатие - пошел отсчет, второе нажатие – отсчет остановился, третье - стрелки секундомера вернулись в изначальное положение.

Механические секундомеры

Более сложные модели механических секундомеров появились уже в 20 веке. Такие секундомеры позволяют производить запуск, остановку секундомера, а также фиксировать промежуточные интервалы времени. Обнуление стрелок в подобном секундомере производится посредством отдельной кнопки. Точность механических секундомеров составляет 1/10 сек.

Электронные секундомеры

В период широкого развития электроники появились электронные секундомеры. Они имеют более высокие точностные характеристики по сравнению со своими механическими собратьями (1/100 сек) и более широкий набор рабочих функций. В отдельных областях, например в авто и мотогонках применяются секундомеры с лазерной засечкой момента финиша. Их точность составляет 1/1000 секунды и менее. Со временем электронные секундомеры вытеснили механические.

Применение секундомера в физических экспериментах

В экспериментах, связанных с изучением динамики движения тел, секундомер используется для измерения времени прохождения определенного расстояния, скорости движения и ускорения. Точные измерения времени позволяют провести анализ движения и получить данные о его характеристиках.

Секундомер также применяется в экспериментах, связанных с измерением периода колебаний. Например, при исследовании силы тяжести с помощью математического маятника, секундомер используется для измерения времени, за которое происходит одно оборотное колебание. Это позволяет определить период колебаний и вычислить величину силы тяжести.

Еще одним применением секундомера в физических экспериментах является изучение характеристик звуковых волн. Он позволяет измерить время между звуковыми импульсами и определить период и частоту звука. Секундомер используется, например, при изучении резонанса в трубе с газом или при определении скорости звука в среде.

Таким образом, секундомер является незаменимым инструментом в физических экспериментах для точного измерения времени и получения данных о различных физических процессах. Его использование позволяет проводить более точные и надежные измерения и вносит значительный вклад в развитие физической науки.

Важность использования секундомера для получения достоверных результатов

Во-первых, секундомер позволяет измерять промежутки времени между двумя событиями с высокой точностью. Это особенно важно при измерении скорости движения объектов или длительности различных процессов. Благодаря точности измерений секундомера, ученые получают более надежные данные и могут сделать более точные выводы о физических явлениях.

Во-вторых, секундомер позволяет контролировать время выполнения различных физических задач и экспериментов. Это особенно важно при проведении тренировок, испытаний и соревнований. Правильное управление временем позволяет избежать ошибок и улучшить результаты.

Кроме того, использование секундомера помогает развивать навыки измерений и учиться работать с точными приборами. Это важное практическое умение, которое может быть полезно не только в физике, но и в других областях науки и жизни в целом.

Таким образом, секундомер является неотъемлемым инструментом при проведении физических исследований и экспериментов. Его использование позволяет получить достоверные результаты, повысить точность измерений и контролировать время выполнения задач. Без использования секундомера физика была бы лишена возможности получать достоверные данные и делать точные выводы о физических явлениях.

1.2.1.4. Источник электрического тока

Источник электрического тока – это устройство, с помощью которого создаётся электрический ток в замкнутой электрической цепи. В настоящее время изобретено большое количество видов таких источников. Каждый вид используется для определённых целей.

Существуют следующие виды источников электрического тока:

• механические;

• тепловые;

• световые;

• химические.

Механические источники

В этих источниках происходит преобразование механической энергии в электрическую. Преобразование осуществляется в специальных устройствах – генераторах. Основными генераторами являются турбогенераторы, где электрическая машина приводится в действие газовым или паровым потоком, и гидрогенераторы, преобразующие энергию падающей воды в электричество. Большая часть электроэнергии на Земле производится именно механическими преобразователями.

Тепловые источники

Здесь преобразуется в электричество тепловая энергия. Возникновение электрического тока обусловлено разностью температур двух пар контактирующих металлов или полупроводников — термопар. В этом случае заряженные частицы переносятся от нагретого участка к холодному. Величина тока зависит напрямую от разности температур: чем больше эта разность, тем больше электрический ток. Термопары на основе полупроводников дают термоэдс в 1000 раз больше, чем биметаллические, поэтому из них можно изготавливать источники тока. Металлические термопары используют лишь для измерения температуры.

В настоящее время разработаны новые элементы на основе преобразования тепла, выделяющегося при естественном распаде радиоактивных изотопов. Такие элементы получили название радиоизотопный термоэлектрический генератор. В космических аппаратах хорошо себя зарекомендовал генератор, где применяется изотоп плутоний-238. Он даёт мощность 470 Вт при напряжении 30 В. Так как период полураспада этого изотопа 87,7 года, то срок службы генератора очень большой. Преобразователем тепла в электричество служит биметаллическая термопара.

Световые источники

С развитием физики полупроводников в конце ХХ века появились новые источники тока – солнечные батареи, в которых энергия света преобразуется в электрическую энергию. В них используется свойство полупроводников выдавать напряжение при воздействии на них светового потока. Особенно сильно этот эффект наблюдается у кремниевых полупроводников. Но всё-таки КПД таких элементов не превышает 15%. Солнечные батареи стали незаменимы в космической отрасли, начали применяться и в быту.

Химические источники

Все химические источники можно разбить на 3 группы:

1. Гальванические

2. Аккумуляторы

3. Тепловые

Гальванические элементы работают на основе взаимодействия двух разных металлов, помещённых в электролит. В качестве пар металлов и электролита могут быть разные химические элементы и их соединения. От этого зависит вид и характеристики элемента.

Аккумуляторы — источники электрического тока, которые можно подвергать многим циклам заряда-разряда. Основными видами аккумуляторов являются:

1. Свинцово-кислотные;

2. Литий-ионные;

3. Никель-кадмиевые.

Тепловые химические элементы служат как источники резервного питания. Они дают отличные характеристики по удельной плотности тока, но имеют короткий срок службы (до 1 часа). Применяются в основном в ракетной технике, где нужны надёжность и кратковременная работа.

1.2.1.5. Лампочка

Энергосберегающие лампы

Энергосберегающие лампы (ЭСЛ) представляют собой разновидность газоразрядных ламп низкого давления, а именно компактных люминесцентных ламп (КЛЛ). Но энергосберегающие лампы имеют существенное отличие от традиционных КЛЛ, это встроенное электронное пускорегулирующие устройство (балласт).

Энергосберегающие лампы состоят из нескольких основных частей:

– колба;

– корпус;

– цоколь;

– балласт.

Люминесцентные лампочки

Люминесцентные лампы используют в своей работе принцип электрического разряда в заполненной газом среде, как и другие газоразрядные лампы. Еще в 1856 году Генрих Гайсслер впервые провел электрический ток через газ, пробив его с помощью включенного в цепь соленоида. Процесс сопровождался синим свечением стеклянной трубки, заполненной газом. Уже тогда была реализована стандартная схема включения газоразрядной лампы – для получения броска напряжения, пробивающего газ и возбуждающего разряд, был использован прообраз современного электромагнитного балласта – индуктивное сопротивление соленоида.

Диодные лампочки

История светодиодов достигает середины 50-х годов. Однако, тогда еще было далеко до их использования в качестве осветительных приборов – слишком мала яркость. В 1993 году профессор Накамура представил миру первый яркий светодиод, основанный на нитрида галлия. Очень скоро после этого ученому удалось создать зеленый и белый светодиод. В 2001 году через суд профессор Накамура получил от компании, в которой работал, 7 миллионов долларов, как вознаграждение за использование своего изобретения. А в 2006 году – «Премию тысячелетия» от Национального технологического агентства Финляндии. Премия вручается за изобретения, которые сделали весомый вклад в развитие человечества (первым лауреатом был изобретатель интернета, Тимоти Джонс Бернерс Ли).

Принцип работы

Принцип работы основан на эффекте электролюминесценцой: излучении света некоторыми веществами под действием электрического тока. Вот цитата из Википедии:

Светодиод – полупроводниковое устройство, излучающее некогерентный источник света при пропускании через него электрического тока (эффект, известный как электролюминесценция). Излучаемый свет традиционных светодиодов лежит в узком участке спектра, а его цвет зависят от химического состава использованного в светодиоде полупроводника. Современные светодиоды могут излучать на длине волны от инфракрасной к близкому ультрафиолета.

Лампа накаливания

Лампа накаливания была изобретена в 1872 г. русским электротехником А. Н. Лодыгиным. Основным элементом первой лампы был тонкий угольный стерженек, нагреваемый током до температуры, при которой он начинал светиться. Стерженек размещался под стеклянным колпаком.

Срок службы первых ламп Лодыгина составлял всего лишь 30—40 мин. Однако путем совершенствования конструкции (откачивание воздуха из колбы, использование нескольких стерженьков, поочередно сгорающих в лампе) Лодыгину удалось существенно увеличить продолжительность их работы.

В 1877 г. о работах Лодыгина узнал знаменитый американский изобретатель Т. А. Эдисон. Он решил усовершенствовать новый источник света. Чтобы как можно сильнее замедлить процесс горения угольного стержня в лампе, Эдисон с помощью сконструированного им же насоса добился такого разрежения в лампе, что давление воздуха в ней оказалось в миллион раз меньше атмосферного.

Несколько месяцев у него ушло на поиски нового материала для тела накаливания. Он пробовал все, что попадалось ему на глаза. Более шести тысяч веществ было проверено Эдисоном в поисках того материала, который мог бы не перегорать в лампе дольше всего. Когда выяснилось, что в качестве такового можно использовать бамбук, агенты Эдисона стали искать нужное растение в Японии, на Кубе, Ямайке, в Китае, Бразилии, Индии и Эквадоре. Некоторые из них погибли от укусов ядовитых змей, другие — от желтой лихорадки, но необходимый материал все-таки был найден. Обуглив и обработав волокна бамбука специальными химическими растворами, Эдисон получил тонкую нить, дававшую под действием тока яркий и ровный свет. Попутно он усовершенствовал систему ввода проводов в лампу, изобрел очень удобную вставку для нее (эдисоновский патрон) и сконструировал выключатель, с помощью которого можно было включать и выключать свет. Продолжительность работы лампы достигла 800 ч, и она стала удобной и практичной.

Тем временем Лодыгин тоже не переставал думать над улучшением лампы. В 1890 г. он внес существенное усовершенствование в ее конструкцию: вместо угольной нити он применил вольфрамовую, которая и используется поныне. Вольфрам является самым тугоплавким металлом (tпл = 3400 °С), и сделанная из него нить оказалась очень долговечной. Через несколько лет этой нити придали зигзагообразную, а затем и спиральную форму (рис 48), и лампа приобрела современный вид.

1.3. Будущие разработки оборудования в будущем

Работы над совершенствованием физического измерительного оборудования ведутся с момента появления первого оборудования, не прекращаются они и сегодня.

В мире существует постоянное развитие и инновации в области физического измерительного оборудования. Некоторые из будущих разработок в этой области включают:

1. Беспроводные измерительные приборы

Развитие беспроводных технологий позволит создать более гибкое и удобное измерительное оборудование. Беспроводные датчики и измерительные приборы облегчат снятие и анализ данных, а также уменьшат ограничения, связанные с проводными соединениями.

1. Нанотехнологии

Применение наноматериалов и нанодатчиков позволит создавать компактное и высокочувствительное измерительное оборудование. Нанотехнологии могут быть использованы для разработки новых типов датчиков, устройств сбора данных и прочих инновационных приборов.

1. Интеллектуальные измерительные системы

Применение искусственного интеллекта и машинного обучения может значительно улучшить процесс сбора и анализа данных. Интеллектуальные измерительные системы могут автоматизировать процессы, улучшить точность измерений и предоставить дополнительные аналитические возможности.

1. Измерительное оборудование для экстремальных условий

Новые разработки будут направлены на создание измерительных приборов, способных работать в экстремальных условиях, таких как высокие и низкие температуры, высокие давления или радиационные поля.

1. Интегрированные измерительные системы

Будущее измерительное оборудование будет все более интегрированным, объединяя различные типы датчиков и приборов в одну систему. Это позволит собирать более полную информацию о физических величинах и обеспечит более всесторонний анализ данных.

Это лишь некоторые направления будущего развития физического измерительного оборудования. Достигнутые результаты могут быть ещё более впечатляющими и разнообразными, поскольку технологии продолжают совершенствоваться.

2. Практическая часть 2.1. Анкетирование

В целях проверки заинтересованности у учащихся о физических законах, приборах я провёл анкетирование среди учащихся 10 класса. Они хорошо ответили на вопросы анкеты.

Опрошенным предлагалось ответить на специально разработанные вопросы. Анкета представлена на рис. 1.

Текст вопросов:

1. Знаете ли вы, какой прибор измеряет силу тока в проводнике?

2. Знаете ли, какой известный учёный открыл физический прибор – амперметр?

3. Знаете ли вы, какой прибор используется для измерения напряжения в проводнике?

4. Знаете ли, в каких единицах измерения измеряется напряжение в проводнике?

5. Знаете ли вы, для чего предназначен динамометр?

6. Знаете ли, в каком веке были изобретены часы с секундомером?

На вопросы нужно было отвечать «Да» или «Нет».

2.2. Результаты анкетирования

Результаты анкетирования представлены в виде диаграмм.

На 1 вопрос ответили все девочки и мальчики. Это означает о их знании о приборе, который измеряет силу тока в проводнике.

На 2 вопрос лучше ответили мальчики. Это показывает их заинтересованность в физическом измерительном оборудовании.

На 3 вопрос лучше ответили мальчики. Это показывает, что они лучше знают какой прибор используется для измерения напряжения.

На 4 вопрос хорошо ответили и мальчики, и девочки. Они знают единицы измерения напряжения в проводнике.

На 5 вопрос лучше ответили девочки. Они лучше знают, для чего предназначен динамометр.

На 6 вопрос плохо ответили и мальчики, и девочки. Они плохо знают историю изобретения часов с секундомером.

Вывод: опрошенные интересуются историей, работой, назначением физического измерительного оборудования. Мальчики лучше ответили на вопросы анкеты, чем девочки.

3. Заключение

1. В современном мире существует множество физического измерительного оборудования. Оно используется в промышленности и повседневной жизни человека, а также учащимися на уроках физики для понимания физических законов.

2. Мальчики и девочки знают историю, назначение оборудования. Но лучше на вопросы анкеты ответили мальчики. Это доказывает их большую заинтересованность физическим измерительным оборудованием.

3. В ходе работы над индивидуальным проектом были достигнуты цели, которые заключались в повышении практических навыков в области экспериментальных методов обращения с оборудованием и лабораторных процедур, в проведении экспериментов для изучения и понимая различных физических явлений.

4. Практическая значимость заключается в том, что он может быть использован при выполнении лабораторных работ на уроках физики. Проект позволяет закрепить свои знания по измерения физических величин, также заключается в способности повысить производительность, точность при использовании физического оборудования. Также учащиеся могут повысить свои знания о физическом измерительном оборудовании.

4. Список литературы

https://www.asutpp.ru/ampermetr.html

https://english-pot.ru/elektro-shkola/kak-polzovatsya-ampermetrom.html?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

https://www.softo-mir.ru/znachenie-izmeritelnogo-oborudovaniya

https://www.panram.ru/partners/news/izmeritelnoe-oborudovanie-tipy-i-funktsii/

https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/voltmetry/

https://rusenergetics.ru/novichku/chto-izmeryaet-voltmetr

https://homo-science.ru/post/istoriya-sozdaniya-sekundomera-2

https://pik-ingener.ru/sekundomer-v-fizike-opredelenie-principy-raboty-i-ispolzovanie/

https://triptonkosti.ru/20-foto/oboznachenie-ampermetra-v-sheme.html

https://radio-blog.ru/master/practice/o-podklyuchenii-voltmetra-shema-podklyucheniya-voltmetrov-k-czepi/

https://phonepress.ru/istochnik-toka-doklad-po-fizike-8-klass/

https://infourok.ru/soobschenie-po-fizike-o-lampah-3778422.html

https://phscs.ru/physics9g/bulb