3504

8

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Раскрыть понятия магнитного поля, магнитной индукции.

2.В чем заключается закон Био-Савара-Лапласа?

3.Как направлена и от каких величин зависит магнитная индукция в центре кругового проводника с током?

4.В чем заключается принцип суперпозиции магнитных полей? Как он используется в данной работе?

5.Как устанавливается магнитная стрелка

а) в отсутствие тока в витках тангенс-гальванометра; б) при протекании тока по виткам?

6.Почему положение магнитной стрелки изменяется при изменении направления тока в витках?

7.Как установится магнитная стрелка тангенс-гальванометра, если экранировать установку от магнитного поля Земли?

8.С какой целью в тангенс-гальванометре используется не один, а несколько десятков витков?

9.Почему при проведении опытов плоскость витков тангенс-гальвано- метра должна совпадать с плоскостью магнитного меридиана Земли?

10.Почему магнитная стрелка по размеру должна быть много меньше радиуса витков?

11.Почему проведение опытов при двух противоположных направлениях тока в витках повышает точность измерения BГ ? Какая погрешность экспери-

мента при этом исключается?

Библиографический список

1. Трофимова, Т.И. Курс физики. 2000. §§109, 110.

12

Лабораторная работа № 5.2 (26)

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы: изучение и проверка закона Ампера; исследование зависимости индукции магнитного поля электромагнита от силы тока в его обмотке.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Магнитное поле (смотрите с. 4)

Магнитная индукция (смотрите с. 4)

13

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Сила Ампера в работе определяется с помощью весов (рис. 2). На коромысле весов подвешен проводник, по которому течет ток I. Для увеличения измеряемой силы проводник изготовлен в виде прямоугольной рамки 1, которая содержит N витков. Нижняя сторона рамки расположена между полюсами электромагнита 2, создающего магнитное поле.

Электромагнит подключен к источнику постоянного тока с напряжением 12 В. Ток IЭМ в цепи электромагнита регулируется с помощью реостата

R1 и измеряется ампер-

метром A1 . Напряжение

от источника подключается к электромагниту через клеммы 4, расположенные на корпусе весов.

Ток I в рамке создается источником постоянного тока напряжением 12 В, измеряется амперметром A2 и

регулируется с помощью реостата R2 . На-

пряжение на рамку подается через клеммы 5 на корпусе весов.

По проводникам рамки, находящимся между полюсами электромагнита, ток течет в одном направлении. Поэтому на нижнюю сторону рамки действует сила Ампера

где l – длина нижней стороны рамки; В – индукция магнитного поля между полюсами электромагнита.

Если направление тока в рамке подобрано так, что сила Ампера направлена вертикально вниз, то она может быть уравновешена силой тяжести разновесок, помещаемых на чашку 3 весов. Если масса разновесок m, то их сила тяжести mg и, согласно формуле (4), магнитная индукция

Приборы и принадлежности: установка для измерения силы Ампера и индукции магнитного поля; набор разновесок.

14

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Объем работы и условия проведения опыта устанавливаются преподавателем или вариантом индивидуального задания.

1.Убедиться в правильности сборки электрической схемы установки. На реостатах R1 и R 2 должно быть введено максимальное сопротивление.

2.Перед началом измерений весы должны быть уравновешены. Доступ к чашке весов только через боковую дверцу. Весы освобождаются (снимаются

сарретира) поворотом ручки 6 в положение ОТКР (рис. 1). С весами следует обращаться аккуратно, после окончания измерений ручку 6 поставить в положение ЗАКР.

3.Включение установки в сеть производит преподаватель.

4.Заполните табл. 1 характеристик электроизмерительных приборов.

Проверка закона Ампера

5. На чашку арретированных весов положить разновеску нужной массы (например, m = 0,5 г). С помощью реостата R1 установить ток в цепи элек-

тромагнита нужной величины (например, IЭМ = 0,2 А).

6. Освободить весы и с помощью реостата R 2 подобрать такой ток I в

рамке, чтобы весы уравновесились. Полученные результаты записать в табл.2.

Таблица 2

1

2

3

4

5

7. При этом же значении IЭМ провести еще четыре измерения, указанные в пункте 5, увеличивая каждый раз массу разновесок примерно на 0,2 г.

15

8.Для каждого опыта рассчитать силу Ампера, равную силе тяжести разновесок F = mg.

9.Построить график зависимости F от силы тока I в проводнике, откладывая значения по I оси абсцисс. Эта зависимость получена при определенном постоянном значении тока электромагнита IЭМ , следовательно, величи-

на магнитной индукции также постоянна. Поэтому полученный результат позволяет сделать вывод о выполнимости закона Ампера в части пропорциональности силы Ампера силе тока в проводнике: F ~ I .

Определение зависимости магнитной индукции от тока электромагнита

10. Установить на чашку весов груз заданной массы (например, m = 1 г). При пяти различных значениях тока электромагнита IЭМ (например, от 0,2

до 0,5 А) подобрать такие токи I в цепи рамки, которые уравновешивают весы. Результаты записать в табл. 3.

Таблица 3

1

2

3

4

5

11. По формуле (5) рассчитайте значения магнитной индукции В в каждом опыте. Значения величин l и N указаны на установке. Постройте зависимость В от тока электромагнита, откладывая значения IЭМ по оси абс-

цисс.

12. Для одного из опытов определите погрешность B . Относительные

Записать в отчет полученный доверительный интервал.

Ввыводах обсудить:

–что показала проверка закона Ампера, выполняется ли он; на каком основании делается вывод;

–как зависит магнитная индукция электромагнита от тока в его обмотке;

–сохранится ли такая зависимость при дальнейшем увеличении IЭМ

(учесть, что магнитное поле обусловлено намагничиванием железного сердечника).

16

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем заключается закон Ампера? Как направлена сила Ампера? Как она зависит от расположения проводника в магнитном поле?

2.Как в работе создается однородное магнитное поле? Как направлен вектор магнитной индукции?

3.Почему в данной работе в рамке должен протекать постоянный ток? К чему приведет применение переменного тока?

4.Почему в работе используется рамка, состоящая из нескольких десятков витков?

5.Почему для нормальной работы установки необходимо подобрать определенное направление тока в рамке? К чему приведет изменение направления тока? Как можно изменить направление тока в рамке?

6.К чему приведет изменение направление тока в обмотке электромаг-

нита?

7.При каком условии в работе достигается равновесие весов?

8.Какое следствие из закона Ампера проверяется в данной работе?

Библиографический список

1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. §§ 109, 111, 112.

17

Лабораторная работа № 5.3 (27)

ОПРЕДЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ

Цель работы: изучение закономерностей движения заряженных частиц в электрическом и магнитном полях; определение скорости и удельного заряда электрона.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Сила Лоренца

На заряд q, движущийся со скоростью v в электромагнитном поле, действует сила Лоренца

где E - напряженность электрического поля; B - индукция магнитного поля. Силу Лоренца можно представить как сумму электрической и магнитной

составляющих: Fл = Fэ + Fм .

не зависит от скорости движения заряда. Направление электрической состав-

зависит от скорости движения заряда. Модуль магнитной составляющей определяется по формуле

где α - угол между векторами v и B .

Направление магнитной составляющей определяется правилом векторного произведения и знаком заряда: для положительного заряда (q >0 ) пра-

вую тройку векторов образуют векторы v , B и Fм (рис. 1), для отрицатель-

18

ного заряда (q <0 ) – векторы v , B и −Fм . Направление магнитной составляющей силы Лоренца можно определить и с помощью правила левой руки.

Правило левой руки: расположите ладонь левой руки так, чтобы в нее входил вектор B , а четыре пальца направьте вдоль вектора v , тогда отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Fм , действующей на положительный заряд. В случае отрицательного заряда направление вектора Fм противоположно. В любом случае вектор Fм перпендикулярен плоскости, в которой лежат векторы v и B .

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Если частица движется вдоль линии магнитной индукции (α = 0 или α =π ), то sin α = 0 . Тогда согласно выражению (4) Fм = 0 . В этом случае

магнитное поле не влияет на движение заряженной частицы (рис. 2).

Если заряженная частица движется перпендикулярно линиям магнитной индукции (α =π2) , то sinα =1. Тогда согласно (4) Fм = qvB . Так как

вектор этой силы всегда перпендикулярен вектору скорости v частицы, то

правлению, не изменяясь по модулю. Частица в этом случае равномерно движется по дуге окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции (рис. 3).

Если вектор скорости v заряженной частицы составляет с вектором B угол α, то магнитная составляющая силы Лоренца будет определяться согласно (3), а модуль согласно выражению (4). В этом случае частица участвует одновременно в двух движениях: поступательном с постоянной скоростью v|| и равномерном вращении по окружности со скоростью v . В результате

траектория заряженной частицы имеет форму винтовойлинии (рис. 4).

19

Удельный заряд частицы

Удельный заряд частицы – это отношение заряда q частицы к ее массе m. Величина mq – важная характеристика заряженной частицы. Для электрона

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Вработе изучается движение электронов в однородных электрическом

имагнитном полях. Источником электронов является электронная пушка 1 электроннолучевой трубки осциллографа (рис. 5). Электрическое поле созда-

ется между парой вертикально отклоняющих пластин 2 электроннолучевой трубки при подаче на них напряжения U. (Горизонтально отклоняющие пластины 3 в работе не используются.) Напря-

женность E электрического поля направлена вертикально.

Магнитное поле создается двумя катушками 4, симметрично расположенными вне электроннолучевой трубки,

при пропускании по ним электрического тока. Вектор магнитной индукции

Bнаправлен горизонтально и перпендикулярно оси трубки.

Вотсутствии электрического и магнитного полей электроны движутся вдоль оси трубки с начальной скоростью vo , при этом светящееся пятно на-

20

ходится в центре экрана. При подаче напряжения U на пластины 2 между

ними создается электрическое поле, напряженность которого E перпендикулярно вектору начальной скорости электронов. В результате пятно смещается. Величину y этого смещения можно измерить, воспользовавшись шкалой на экране осциллографа.

Однако в электрическом поле на электрон действует согласно (2) электрическая составляющая силы Лоренца

где е – заряд электрона. Заряд электрона отрицательный (е < 0), поэтому сила FЭ направлена противоположно полю. Эта сила сообщает электрону ускорение a y в направлении оси Y, не влияя на величину скорости электрона вдоль