Logo
Logo

Путь в бесконечность

1  ?? Определите сопротивления всех резисторов и проверьте, что все резисторы $r$ и все резисторы $R$ $(r \ll R)$ имеют одинаковые сопротивления в пределах точности измерений мультиметра. Считайте погрешность мультиметра в этом и последующих пунктах равной трём единицам последнего разряда. Если есть резисторы $R$, сопротивление которых отличается больше, чем на $1\%$, попросите их заменить. Вычислите средние значения $R$ и $r$ и их погрешности.

Мультиметром в режиме омметра измерим сопротивления всех резисторов. Полученные данные занесем в таблицу. Получим
\[r = (9{.}95\pm0{.}06)~кОм, R = (998 \pm4)~кОм\]

$r, кОм$$R, кОм$
$9{.}89\pm0{.}03$$997 \pm 3$
$9{.}94\pm0{.}03$$998 \pm 3$
$9{.}99\pm0{.}03$$998 \pm 3$
$9{.}95\pm0{.}03$$996 \pm 3$
$9{.}98\pm0{.}03$$997 \pm 3$
$9{.}93\pm0{.}03$$997 \pm 3$
$9{.}94\pm0{.}03$$1000 \pm 3$

2  ?? Снимите зависимость эквивалентного сопротивления цепи (см. рисунок) $\Omega(n)$ от числа звеньев $n$ для $n = 1, 2, …, 7$. Для $n = 7$ начертите Вашу схему подключения резисторов, проводов и мультиметра на макетной плате. Для этого Вам выдан бланк с напечатанной схемой макетной платы. Резисторы сопротивлением $R$ обозначайте на схеме в виде закрашенных прямоугольников, а резисторы сопротивлением $r$ – в виде незакрашенных. Если схему для $n = 7$ собрать не удалось, то начертите схему подключения для цепи с максимальным числом звеньев. Без начерченной схемы Ваши экспериментальные данные и расчеты не будут оцениваться.

Снимем зависимость эквивалентного сопротивления цепи $\Omega(n)$ от числа звеньев $n$.

$n$$\Omega, кОм$
$1$$1007\pm3$
$2$$511\pm3$
$3$$348\pm3$
$4$$268\pm3$
$5$$221\pm3$
$6$$191\pm3$
$7$$170\pm3$

3  ?? Используя средние значения $r$ и $R$ из первого пункта, рассчитайте теоретическое значение $\Omega({\infty})$ сопротивления цепи, состоящей из очень большого ($n \gg 1$) числа звеньев.

Если к цепи, состоящей из бесконечного (или очень большого) числа звеньев, добавить еще одно звено, то эквивалентное сопротивление цепи не изменится. Условие равенства эквивалентных сопротивлений: \[\Omega(\infty) = r + \frac{R\Omega(\infty)}{R + \Omega(\infty)}\]Решение этого уравнения дает результат \[\Omega(\infty) = \frac{r + \sqrt{r^2 + 4rR}}{2} \approx (104.8 \pm 0.5){~}кОм\]Второй отрицательный корень уравнения физического смысла не имеет.

4  ?? Нанесите точки снятой зависимости $\Omega (n)$ на график. Соедините эти точки гладкой линией. На этом же графике постройте горизонтальную прямую $\Omega = \Omega({\infty})$. Это тот предел (горизонтальная асимптота), к которой должны стремиться точки измеренной зависимости $\Omega (n)$.

5  ?? В приближении $ n^2 r \ll R$ (считайте, что оно верно для всех $n \le 7$) зависимость эквивалентного сопротивления от количества звеньев принимает вид $\Omega (n)=F(R,\,n)+f(r,\,n)$, где $f(r,\,n)$ - небольшая добавка, равная $f(r,\,n)=\frac{(2n+1)(n+1)}{6n} r$, а $F(R,\,n)$ – основной член, зависящий только от $R$ и $n$. Чему равна функция $F(R,\,n)$?

При $r=0$ наша цепь превращается в $n$ параллельно соединенных резисторов $R$ \[\Omega(n)=\frac{R}{n}=F(R,n).\]Таким образом
\[\Omega(n) = F(R, n) + f(r, n) = \frac{R}{n} + \frac{(n+1)(2n+1)}{6n}r.\tag{*}\]

6  ?? С учётом теоретической зависимости, полученной в предыдущем пункте, подберите такие координаты, в которых измеренная Вами зависимость $\Omega(n)$ будет линейной. Постройте график линеаризованной зависимости.

Если обозначить $y = n\Omega$ и $x = \frac{(n+1)(2n+1)}{6}$, то уравнение $(*)$ примет вид \[y = rx+R\] Пересчитаем таблицу $\Omega(n)$ в таблицу $y(x)$ и построим график.

$y = n\Omega, кОм$$x = \frac{(n+1)(2n+1)}{6}$
$1007\pm3$$1{.}0$
$1022\pm6$$2{.}5$
$1044\pm9$$4{.}7$
$1072\pm12$$7{.}5$
$1105\pm15$$11{.}0$
$1146\pm18$$15{.}2$
$1190\pm21$$20{.}0$

7  ?? Из графика, построенного в предыдущем пункте, определите сопротивления $r$ и $R$ и их погрешности. Сравните полученные значения $R$ и $r$ с результатами прямых измерений в пункте 1.

Свободный коэффициент линейного графика равен $R = (997 \pm 4)~кОм$. Угловой коэффициент равен $r = (9{.}7\pm1{.}2)~кОм$.
Эти значения совпадают в рамках погрешности со значениями, полученными в пункте 1.