Материал: m31641

Министерство сельского хозяйства и продовольствия

Российской Федерации

ФГОУ ВПО «Воронежский государственный аграрный

Университет им. К. Д. Глинки»

Факультет агроинженерный

Кафедра физики

Методические указания для выполнения лабораторных

работ по физике и биофизике для студентов факультета ветеринарной медицины очной и заочной формы обучения

ч. II. Электричество и оптика.

Для специальности № 310800 «Ветеринария»

Воронеж 2005

Составили: Глазун Б. А., Горбань Л. К., Белоглазов В.А.

Под редакцией: профессор Воищев В. С.

Рецензент: профессор ВГПУ Зеленев В. М.

Методические указания рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры физики (протокол №8 от 1 июля 2005 г.)

Методические указания рекомендованы к изданию на заседании методической комиссии факультета ВМ (протокол №1 от 24 октября 2005 г.)

Оглавление

Электричество.

Работа № 1. Определение температуры тела с помощью термопары и термодатчика. . . . . . . . . . . . . . . . 4

Работа № 2. Определение зависимости удельного сопротивления кожи от ее влажности . . . . . . . . . . . 10 . . . . . . . . . .

Работа № 3. Изучение зависимости сопротивления живой ткани от частоты переменного тока на примере эквивалентной схемы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Оптика.

Работа № 4. Опытная проверка закона освещенности. . . 19

Работа № 5. Определение с помощью микроскопа размеров эритроцитов. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Работа № 6. Определение процентного содержания сахара в водном растворе с помощью поляриметра. . . . . . . . . . 29

Работа № 7. Опытная проверка закона Бугера-Бера. . . . 35

Работа №1

Определение температуры тела с помощью термопары и термодатчика.

Теоретическое введение

Для диагностики ряда заболеваний необходимо измерять температуру тела животных. Кроме обычных термометров это можно сделать с помощью термопар и термодатчиков.

Термопара представляет собой два проводника из различных металлов (Ме₁,Ме₂) или сплавов, сваренных на концах - точки 1 и 2 (рис.1).

Рис. 1

Если температуры спаев термопары Т₁ и Т₂ различны, то в термопаре возникает термоэлектродвижущая сила Е, т.е. термопара становится источником тока. Термо-ЭДС пропорциональна разности температур (Т₁-Т₂) между спаями:

Е= α(Т₁-Т₂),

где α- коэффициент, зависящий от природы металлов и температурного диапазона.

Термо-ЭДС можно измерить с помощью вольтметра, если разорвать один из проводников и подключить вольтметр к точкам 3, 4 (рис.1).

Измерить разность температур с помощью термопары можно и другим способом, если вместо вольтметра между точками 3 и 4 включить микроамперметр. В этом случае под действием термо-ЭДС в электрической цепи пойдет электрический ток I:

, где

R-полное сопротивление цепи (сопротивление термопары и микроамперметра).

Как видим, зависимость I от (Т₁-Т₂) является линейной (рис.2).

Рис. 2

Если температура второго спая Т₂ является постоянной ( в нашем случае – комнатной Т_к), то, измерив силу тока термопары I, можно определить соответствующую ей разность температур (Т₁’-Т_к’) и температуру тела, находящегося в тепловом контакте со спаем 1.

Термодатчик представляет собой полупроводниковое сопротивление, величина которого уменьшается с увеличением температуры. Рассмотрим, с чем связана такая зависимость. Атомы в кристалле полупроводников связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточной для того, чтобы "оторваться" от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, то есть стать потенциальными носителями тока (по-другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд, равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой (Рис. 3).

Рис. 3

Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах. Таким образом, не только свободные электроны, но и дырки хаотически движутся, при наложении внешнего электрического поля на хаотическое движение зарядов накладывается упорядоченное движение свободных электронов и дырок.

Концентрация свободных электронов и дырок в полупроводнике является постоянной, если не меняется температура. Повышение температуры полупроводника ведет к тому, что двойные электронные связи чаще рвутся, увеличивается концентрация свободных электронов и дырок. Увеличение концентрации носителей электрического тока ведет к увеличению силы тока, что эквивалентно уменьшению сопротивления полупроводника. По силе тока I, сопротивлению R или падению напряжения U на полупроводниковом сопротивлении можно судить о его температуре. Таким образом, как термопара, так и термодатчик позволяют измерять температуру, в частности температуру тела животных. Термопара и термодатчик имеют преимущества перед обычными термометрами:

а) с их помощью можно определять температуру на расстоянии,

б) поскольку масса термодатчика или спая термопары мала, тепловое равновесие при измерении температуры устанавливается быстрее, следовательно, быстрее производится измерение температуры,

в) термодатчики и термопара механически более прочны, чем обычные термометры.

В настоящей работе о температуре судят по силе тока, проходящего через термопару, или падению напряжения на термодатчике. При этом используются электрические схемы, приведенные на рисунках (1) и (4).

Рис. 4.

Порядок выполнения работы

Упражнение № 1.

Градуировка термопары и определение с ее помощью температуры пальцев.

1. Поместите конец термопары в гнездо на блоке 1.

2. Включите в сеть автотрансформатор 2.

3. Запишите значение температуры t и силы тока I через каждые 2 градуса.

4. По достижении температуры t = 40⁰С выключите автотрансформатор из сети.

5. Постройте график зависимости I от (t - t_к), где t_к - температура того конца термопары, который не нагревается (в нашем случае - это комнатная температура).

6. Выньте конец термопары из гнезда в блоке 1. Возьмитесь за него пальцами и отметьте силу тока I'.

7. С помощью графика определите температуру своих пальцев соответствующую значению I'.

Упражнение № 2.

1. Градуировка термодатчика и определение с его помощью температуры пальцев.

1. Поместите термодатчик на поверхность блока 1, прижмите его к поверхности.

2. Включите в сеть автотрансформатор 2.

3. Записывайте значение термопары t и напряжение U через каждые 2 градуса.

4. По достижении температуры t = 40⁰С выключите автотрансформатор из сети.

5. Постройте график зависимости U от t.

6. Снимите термодатчик с блока 1 и возьмитесь за него пальцами. Отметьте величину напряжения U'.

7. С помощью графика определите температуру своих пальцев, соответствующую значению U'.

Контрольные вопросы.

1. Что представляет собой термопара?

2. От чего зависит сила тока, идущего через термопару?

3. Что представляет собой термодатчик?

4. Электронно-дырочная проводимость полупроводников.

5. Носители тока в полупроводниках. Почему изменяется сопротивление полупроводника при повышении температуры?

6. В чем преимущества термопар и термодатчиков по сравнению с обычными термометрами?

Работа №2

Определение зависимости удельного сопротивления кожи от ее влажности .

Теоретическое введение

Электрический ток - это упорядоченное движение заряженных частиц (электронов и ионов). Для появления в среде электрического тока необходимо наличие в ней свободных заряженных частиц и внешнего электрического поля. В тканях животных такими частицами являются ионы. В клетках - это , в основном, ионы калия и органических кислот. В межклеточной жидкости - ионы натрия и хлора.

Сила тока численно равна заряду, проходящему через поперечное сечение проводника за 1 секунду .

Сила тока обратно пропорциональна сопротивлению проводника R. Для проводников цилиндрической формы , где - удельное сопротивление проводника.

Удельное сопротивление проводника численно равно сопротивлению проводника длиной 1 метр и поперечным сечением 1 м². Величина, обратная удельному сопротивлению, называется удельной электропроводностью. Удельная электропроводность тканей несет информацию об их функциональном состоянии, изменениях в органах. Удельная электропроводность тканей изменяется при воспалительных процессах, изменении проницаемости клеточных мембран, изменении наполнения органов кровью и т.п.

При пропускании постоянного электрического тока через биологический объект с течением времени происходит падение силы тока из-за явлений поляризации. В этом случае в соответствие с законом Ома для электролитов .

где U - приложенное напряжение, - электродвижущая сила поляризации (ЭДС), R - сопротивление тканей.

Поляризация заключается в таком расположении заряженных частиц или диполей, при котором возникает электрическое поле, направленное в сторону, противоположную внешнему электрическому полю.

Дипольная поляризация свойственна веществам, состоящим из полярных молекул, обладающих дипольным электрическим моментом (рис.1,а) (в биологических объектах - это прежде всего вода). Под действием внешнего электрического поля диполи располагаются так, что электрическое поле, создаваемое связанными зарядами диполей, направлено против внешнего поля (рис. 1,б).

Рис. 1

Макроструктурная поляризация возникает на границе раздела тканей, обладающих различным удельным сопротивлением, она проявляется в накоплении свободных зарядов (которые могут смещаться под действием поля) на границе слоя с относительно высоким удельным сопротивлением.

Поверхностная поляризация происходит у поверхности, где имеются связанные заряды (например, поверхность клеточных мембран). К этим зарядам притягиваются из раствора ионы, образующие вместе со связанными зарядами двойной электрический слой.

Под действием внешнего поля происходит перераспределение зарядов в двойном электрическом слое.

Электролитическая поляризация происходит около электродов и связана с изменением там концентрации ионов.

Процессы поляризации происходят не мгновенно. Смещение ионов требует некоторого времени, в течение которого внешнее электрическое поле действует в одном направлении. Если ток переменный, то внешнее поле действует в одном направлении в течение времени равного половине периода. Чем больше частота тока, тем меньше это время. Поэтому при увеличении частоты тока эффекты поляризации снижаются.

Электрическое сопротивление R биологических объектов снижается под влиянием ионизирующих и ультрафиолетового излучений. От величины сопротивления R и напряжения U зависит сила тока, протекающего через ткани животного. При достаточно большой силе тока наступает гибель животного. Для овец смертельно опасный ток 150-200 мА, свиней - 170-200 мА, крупного рогатого скота - 220 мА.

В величину общего электрического сопротивления тела животного входит, в частности, сопротивление кожи R_к. Обычно R_к очень велико, но при увлажнении кожи R_к резко снижается.

В настоящей работе определяется сопротивление влажной кожи. Для этого используется следующая схема (рис. 3).

1. участок кожи,

2. электроды,

3. прибор, предназначенный для измерения сопротивления R (тераомметр)