Elektronikus fekete doboz vizsgálata

Átírás

1 Elektronikus fekete doboz vizsgálata 1. Feladatok a) Munkahelyén egy elektronikus fekete dobozt talál, amely egy nem szabványos egyenáramú áramforrást, egy kondenzátort és egy ellenállást tartalmaz. Méréssel állapítsa meg, hogyan kapcsolódnak ezek az áramköri elemek egymáshoz! Készítsen kapcsolási rajzot! Határozza meg a dobozban lévő áramköri elemek jellemző értékeit! A kondenzátor kapacitásának mérését többféle folyamat megfigyelésével is végezze el! b) A feladat részét képezi: a mérés részletes, áttekinthető leírása, a megfigyelt jelenségek magyarázata, a kapcsolási rajzok indoklása, a mérés egyes fázisainak szemléltetése kapcsolási rajzzal, a mérési eredmények rögzítése, követhető, áttekinthető számítás. 2. Általános tudnivalók a) A kísérlet elvégzéséhez a következő eszközök állnak a rendelkezésére: 1 db fekete doboz 2 db digitális, csak feszültségmérésre használható multiméter 1 db digitális stopperóra 8 db mérőzsinór végükön banándugóval b) Figyelmeztetés A digitális multiméterek csak feszültségmérésre használhatók! Bármely más funkció felhasználása vagy a fekete doboz felnyitása a versenyből való kizárást vonja maga után! c) A rendelkezésre álló idő: 120 perc.

2 Digitális multiméter fizikai jellemzői és használata: A műszer legfőbb adatai A feszültségmérő belső ellenállása egyenfeszültség mérésének bármely méréshatárában: Rb = 10 MΩ Ha a kijelzőn egyes (1) jelenik meg, és a többi karakter eltűnik, akkor a műszert magasabb méréshatárba kell kapcsolni! Ha a kijelző bal felső sarkában megjelenik egy telepet ábrázoló ikon, akkor a műszer energiaellátása nem megfelelő. Ezt azonnal jelezni kell a teremben lévő felügyelő tanárnak, aki a műszert kicseréli. Kijelző Energiaellátás be/ki Méréshatárváltó kapcsoló egyenfeszültség mérésénél Egyenfeszültség mérésekor használt mérőcsatlakozók 2/13

3 MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV A fekete doboz sorszáma: A mérés egyes fázisainak részletes, áttekinthető leírása, megfigyelt jelenségek magyarázata, kapcsolási rajzok. 3/13

4 Mérési eredmények 4/13

5 Számítások 5/13

6 Térfogatmérés állandó mennyiségű levegő állapotváltozásának vizsgálatával 1. Feladatok a) Állandó mennyiségű levegő különböző hőmérsékletű állapotainak megvalósításával határozza meg az üvegedény belső térfogatát! b) Hogyan használható ez a kísérlet az abszolút 0 fok meghatározására? c) A feladat további részét képezi: a mérés elvének részletes leírása, a mérés szempontjából lényeges kísérleti eszközök elrendezésének pontos rajza (több fázis ábrázolása), a mérési eredmények jegyzőkönyvben való rögzítése, számolás, a mérés hibaforrásainak felsorolása. 2. Általános tudnivalók a) A kísérlet elvégzéséhez a következő eszközök állnak a rendelkezésére: 1 db elektromos vízforraló 3 db légmentesen zárható üvegedény 1 db zárókupak fémcsatlakozóval, műanyagcsővel 1 db lombik étolajjal töltve (az étolaj sűrűsége: 910 kg/m 3 ). 1 db főzőpohár étolajjal töltve 1 db táramérleg súlysorozattal 1 db 2 dm 3 -es főzőpohár 2 db Bunsen-állvány 1 db lombikfogó 1 db Bunsen-dió 1 db bürettafogó 1 db tolómérő 1 db mérőszalag hosszabbító üvegbot víz jégkocka (hűtőtáskában) filctoll 6/13

7 alkohol (filctolljelölés letörléséhez) papírtörlő tálca alátét (vízforraló alá) vödör milliméterpapír olló A kísérlet elvégzése során más eszköz nem használható! b) Megjegyzés A kupakon lévő fémcsatlakozó az állványra szerelt bürettafogó segítségével stabilan rögzíthető (így a kupakkal ellátott üveg is). Az üvegedény hőálló, de hirtelen hőmérsékletváltozáskor elrepedhet. Anyaga, mérete lehetővé teszi, hogy a vízmelegítőbe belehelyezze. A rendelkezésre álló eszközök és anyagok segítségével két jól definiált hőmérséklet állítható elő. Az elektromos vízforralót csak a jelzésig töltse meg vízzel! A vízforralót a hosszabbítón lévő kapcsoló segítségével hozhatja üzemképes állapotba. Célszerű a vízforralót állványra helyezni. A vízmentes étolaj visszatölthető a lombikba, illetve a főzőpohárba, és a kísérlet megismétléséhez felhasználható. A kísérlet végén a felesleges vizet öntse a vödörbe! Bizonyos kísérleti eszközök ismételt felhasználása hibás eredményhez vezethet. Ezért a mérést csak akkor kezdje el, ha jól átgondolta, hogy a kísérleti összeállítása alkalmas a feladat elvégzéséhez. A felsoroltakon kívül újabb eszközöket a kísérlet elvégzéséhez nem kaphat. c) A megoldásra rendelkezésre álló idő: 120 perc. 7/13

8 MÉRÉSI JEGYZŐKÖNYV Mérés elvének leírása 8/13

9 Kísérlet egyes fázisainak rajza 9/13

10 Mérési eredmények 10/13

11 Számítások 11/13

12 Miért és hogyan használható ez az elrendezés az abszolút 0 fok meghatározására? 12/13

13 Mérési eredmény pontosságát befolyásoló tényezők felsorolása indoklással 13/13

14 Megoldások A fekete doboz mérési feladat értékelése 1. Megfigyelés a) Ha a fekete dobozhoz feszültségmérőt csatlakoztatunk, 20 V-os méréshatárral, akkor megfigyelhető, hogy a feszültség egy bizonyos értékig lassan csökken ( U ). ( 1 U1=8,65V (1 pont Következtetés A kivezetések a kondenzátor fegyverzeteihez csatlakoznak. A kondenzátor kisülése miatt csökken a feszültség. 1 pont Ha a feszültségforráshoz csatlakoznának a kivezetések, akkor állandó feszültséget lehetne mérni. Ha az ellenálláshoz csatlakoznának a kivezetések, akkor a mért feszültség nulla lenne. A három áramköri elem sorba van kapcsolva. Ha párhuzamosan lennének kapcsolva, akkor állandó lenne a feszültség. 1 pont Kapcsolási rajz helyes és feltüntette a kivezetéseket is, vagy a szövegből kitűnt már. (Ha nem indokol, de a soros kapcsolás a kivezetésekkel megvan, akkor jár ez a pont.) 2 pont Ha két feszültségmérőt párhuzamosan kapcsolva csatlakoztatunk a fekete dobozhoz, akkor nagyobb mértékű feszültségcsökkenést tapasztalunk ( U ) 2. U2=7,93V 1 pont A dobozban lévő ellenállás és a telep üresjárási feszültségének kiszámítása: 2+2 pont (Összesen 10 pont jár erre a részre.)

15 Megoldások A kondenzátor kapacitásának mérése Egy kisülési vagy töltődési folyamat elemzése: A megfelelő exponenciális függvény alkalmazása: Egy folyamat lefutásának mérése: Időállandó mérése: Párhuzamos eredő ellenállás az időállandóhoz: A kapacitás kiszámítása: Egy másik folyamat elemzése alapján is meghatározza a kapacitást: 1 pont 1 pont 3 pont 2 pont 1 pont 2 pont 2/3

16 Megoldások A hőtani feladat értékelése Olyan mérési elv leírása, amely alapján a rendelkezésre álló eszközök segítségével az üveg belső térfogata meghatározható. Kísérlet fázisainak ábrázolása Mérési eredmények Számítás Hogyan és miért használható ez az elrendezés az abszolút nulla fok meghatározására? Grafikon Mérés pontatlansága 7 pont 2 pont 2 pont 4 pont 2 pont 1 pont 2 pont 3/3