behovyh_electromagnetism

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Ю.В. Беховых, А.А. Лёвин

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМА

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Барнаул Издательство АГАУ

2008

1

УДК 537.8 (076.5)

Рецензенты: доцент кафедры общей физики АлтГТУ, кандидат физико-математических наук Е.В. Черных; зав. кафедрой ЭЛАСХ АГАУ, доктор технических наук, профессор А.А. Багаев.

Беховых Ю.В. Основы электромагнетизма: учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов / Ю.В. Беховых, А.А. Лёвин. Барнаул: Изд-во АГАУ, 2008. 71 с.

Учебно-методическое издание содержит теоретические сведения и вопросы к лабораторным работам по разделу «Электричество и магнетизм», составлено в соответствии с программой по физике для аграрных вузов РФ.

Предназначено для самостоятельной подготовки к лабораторным занятиям студентов 1-2-го курсов очного и заочного отделений АГАУ, а также может быть полезно преподавателям.

Рекомендовано к изданию учебно-методической комиссией института природообустройства АГАУ (протокол № 5 от 5 марта 2008 г.).

Беховых Ю.В., Лёвин А.А., 2008

ФГОУ ВПО АГАУ, 2008

Издательство АГАУ, 2008

2

3

ВВЕДЕНИЕ

Пособие включает в себя специальный методический материал, предназначенный для подготовки студентов к лабораторным занятиям

идающий возможность преподавателям проконтролировать степень подготовленности студентов. Оно состоит из независимых друг от друга блоков. В каждый блок входит теоретический материал к выполняемой работе, а также вопросы для контроля знаний. Материал темы «Теоретические и практические основы измерений» по усмотрению преподавателей может быть выделен либо в самостоятельный блок, либо отнесен к блоку «Лабораторная работа № 1».

Теоретический материал блоков специально методически подготовлен и содержит пропуски по ходу текста, которые предлагается заполнить студентам. По количеству правильно заполненных пропусков в тексте преподаватель может сделать вывод о степени подготовки студента, а студент, в свою очередь, проверить самоподготовку. Для упрощения проверки в конце каждого теоретического материала по лабораторной работе приведено общее количество пропусков, а также дана таблица оценки. Внимание, данная таблица является

демонстрационной, конкретная оценка ответов должна производиться исходя из особенностей проведения учебных занятий, их количества, специальности студентов и других факторов. Авторы предоставляют право преподавателям, ведущим занятия, разработать свои критерии оценки и сообщить их студентам. В каждом блоке даны вопросы различной степени трудности: вопросы на «удовлетвори-

тельно», вопросы на «хорошо», вопросы на «отлично».

Вопросы на «удовлетворительно» сформулированы исходя из теоретического материала лабораторной работы и являются обязательными; большое количество неправильных ответов свидетельствует о неудовлетворительной подготовке студента и недостаточном овладении теоретическим учебным материалом. Вопросы на «хорошо» составлены исходя из особенностей выполнения лабораторной работы

итребуют не только знания теории, но и метода, заложенного в основу данной работы, а также конструктивных особенностей установки, на которой выполняется работа. Успешные ответы на вопросы свидетельствуют о хорошей практической подготовке студента к выполняемой (выполненной) лабораторной работе. Трудности в ответах на вопросы могут указывать на непонимание студентами цели и задач лабораторной работы или недостаточное понимание физических

4

принципов и методов, являющихся основой данной работы. Преподавателям в этом случае рекомендуется уделить больше внимания рассмотрению данных вопросов. Вопросы на «отлично» требуют от студента не только знания теории и метода проведения физического эксперимента, но и умения творчески оценить ситуацию, а также использовать знания, которых нет в пособии по выполнению данной лабораторной работы. Ответы на вопросы данного уровня сложности – это миниатюрные творческие работы.

Материал, помещенный в пособии, можно постоянно совершенствовать и использовать не только в рекомендуемом виде. Например, вопросов на «удовлетворительно» в каждом блоке много, преподаватель самостоятельно может выбрать номер и количество задаваемых вопросов для ускорения процесса контроля. Он также может лимитировать время для ответов на вопросы, введя количество необходимых правильных ответов, естественно с соблюдением условия, что при достаточной подготовленности все студенты будут способны ответить на данное количество вопросов, несмотря на свои индивидуальнопсихологические качества. Не исключаются и другие способы применения представленного материала.

Авторы выражают благодарность коллективу кафедры физики АГАУ за оказанную поддержку в подготовке материалов к пособию. Все предложения и рекомендации по совершенствованию пособия обязательно будут учтены в следующей редакции.

5

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПРАКТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Основные понятия об измерениях

Согласно основному стандарту метрологии ГСИ ГОСТ 16263-70 измерениями называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью ___________________________, а получаемая при этом информация называется _________________.

Результат измерения представляется в виде аналитического соот-

ношения, известного как _________________________________:

где A – значение измеряемой физической величины; k – отношение измеряемой величины к образцу; A0 – значение величины, принятой за образец.

Метод измерений – это совокупность использования принципов и ____________________. Метод измерений отличается от методики измерений, которая представляет собой общий или поэтапный план

___________________, т.е. последовательность и правила проведения операций.

Объект измерений – это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами, которые подразделяются на основные и производные. Основные величины _____________ друг от друга, но используются для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными. Основным величинам соответст-

вуют основные единицы измерений, а производным – производные.

Совокупность основных и производных единиц представляет собой систему единиц физических величин. В мировой практике наиболее широко распространена международная система единиц (СИ – система интернациональная). В данную систему входят семь основных единиц, две дополнительных и ряд производных единиц физических величин. Основными единицами измерений являются: __________

____________________________________________________________, а дополнительными – ________________________. Остальные еди-

ницы измерений времени, механических, электрических, магнитных, тепловых, световых, акустических и других величин являются производными.

Вместе с единицами международной системы применяются и внесистемные единицы, например _______________________.

6

По способу получения результата измерения подразделяются на прямые и косвенные. Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится________________________

__________________________ (например, измерение напряжения вольтметром и силы тока амперметром). Математически прямые измерения характеризуются формулой:

где A – измеряемая величина;

x – значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.

Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины определяется на основании ____________________________

____________________ между этой величиной и величинами, определяемыми прямыми измерениями. Косвенные измерения можно оха-

где x1, x2,..., xn – результаты прямых измерений величин, связанных с

искомым значением измеряемой величины А. Примерами косвенных измерений являются __________________

____________________________________________________________

____________________________________________________________

___________.

Виды средств измерений

При измерении физических величин на практике применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений. К ним относятся:

1)меры;

2)измерительные преобразователи;

3)измерительные приборы;

4)измерительные установки и системы;

5)измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерений, предназначенное для

_____________ физических величин заданного ___________ (например, гири). Могут использоваться однозначные (_______________ величины только одного размера) и многозначные (могут ____________

______ несколько размеров физической величины) меры, а также наборы и магазины мер. Примером однозначной меры может служить

7

гиря, а многозначной – метровая линейка, которая может выражать длину предмета не только в метрах, но и в сантиметрах и миллиметрах.

Набор мер составляет комплект однородных мер разного размера, которые применяются в нужных сочетаниях, например, набор лабораторных гирь. Магазин мер – сочетание объединенных в одно механическое целое мер, с возможностью соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством (например, магазин электрических сопротивлений).

Измерительный преобразователь – это средство измерений, ко-

торое служит для ____________________ сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство.

Измерительные приборы – это средства измерений, которые позволяют _____________ измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем; подразделяются на приборы прямого действия и приборы сравнения. Первые отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины, при этом изменения рода физической величины не происходит (например, амперметры, термометры и т.п.). Вторые предназначены для сравнения измеряемых величин

свеличинами, значения которых известны (например, пирометры).

Взависимости от метрологического назначения средства измерений делятся на эталонные, образцовые и рабочие.

Эталонное средство измерений обеспечивает ____________ и (или) воспроизведение единицы физической величины для передачи ее размера другим средствам измерения (образцовым или рабочим). Местом хранения эталонных средств измерений является ___________

_____________________, находящаяся во французском городе Севре. Образцовое средство измерения представляет собой меру, или измерительные приборы, которые служат для _____________ по ним других средств измерений. От образцовых средств размеры единиц физических величин передаются далее рабочим средствам измерений. Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Они могут быть ________________

(применяются для научных исследований), _________________ (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов) и _____________ (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.).

8

Погрешности измерений

Результат каждого отдельного измерения физической величины не совпадает с ее истинным значением в результате действия множества искажающих факторов. Отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины называется

погрешностью измерений (ошибкой измерений).

Абсолютная погрешность измерений – погрешность измерений,

определяемая как разность между _____________ и ____________

значением измеряемой величины, взятая по модулю:

∆x = _________.

Истинное значение величины xист применяют только в теоретических исследованиях, на практике вместо него используют

_____________ значение величины xд .

Относительная погрешность измерений – погрешность изме-

рений, равная отношению _____________________ измерения к

_________________ значению измеряемой величины:

Различают три типа погрешностей измерений: грубые ошибки, систематические и случайные погрешности.

Грубые ошибки (промахи) – это погрешности, связанные с

_______________ измерительной аппаратуры, либо с _____________

экспериментатора в отсчете или записи показаний приборов, либо с резким изменением условий. Результаты измерений в таких случаях необходимо ______________ и проводить ___________ измерения.

Систематическая погрешность измерений – это погрешность результата измерений, которая остается _________________ или закономерно ________________ при повторных измерениях одной и той же физической величины. К таким погрешностям относят методические и инструментальные (приборные) погрешности измерений.

Методическая погрешность обусловлена _____________ метода измерений, несовершенством _________ физического явления и неточностью расчетной формулы, используемой для нахождения измеряемой величины.

Инструментальная (приборная) погрешность вызывается

_____________________ конструкции и неточностью изготовления

9

измерительных приборов. Данная погрешность определяется на основе паспортных данных прибора, а при отсутствии документации – по

_____________________, который для электроизмерительных приборов определяется максимальной допустимой приведенной погрешно-

стью:

где ∆Amax – максимальная абсолютная погрешность прибора;

AN – номинальное значение – условно принятое для приборов

данного типа значение, равное _____________ измерений.

Таким образом, __________________________ прибора показыва-

ет относительную погрешность прибора на предельном значении,

выраженную в процентах. На шкале прибора при представлении

_________________ знак % не обозначается. Согласно ГОСТ 1845-59, электроизмерительные приборы по точности делят на 8 классов:

0,05; 0,1; 0,2 – образцовые;

0,5; 1,0 – лабораторные;

1,5; 2,5; 4,0 – технические приборы.

По ______________________ прибора можно найти абсолютную и относительную погрешности прямых измерений.

Пусть электроизмерительный прибор, например, вольтметр, предел измерений которого 75 В, имеет класс точности 0,5 и показывает значение напряжения равное 20 В. Тогда по формулам (4) и (5) получаем:

∆U = 1000,5%% 75 В = 0,375 В,

EU = 0,20375ВВ 100% =1,875%.

При проведении измерений необходимо выбирать такие пределы, чтобы приборная погрешность была как можно меньше. При этом стрелка должна отклоняться на __________________ угол, но не выходить за границы шкалы.

Случайная погрешность измерений – это погрешность результа-

та измерений, изменяющаяся __________________ образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины. Полностью устранить случайную погрешность невозможно, но путем увеличения числа измерений ее можно уменьшить.

10