Лабораторная по физике №5

20

где 0 = 4 10–7 Гн/м – магнитная постоянная; – магнитная проницаемость среды, для воздуха 1.

Катушка тангенс-гальванометра содержит N витков, поэто-

тальная составляющая магнитного поля Земли) будут находиться в плоскости витка. Вектор магнитной индукции катушки с током будет при этом направлен по оси Z.

B BЗ Bк .

Зная угол поворота магнитной стрелки, можно найти го-

При произвольном положении плоскости катушки по отношению к плоскости магнитного меридиана магнитную индукцию

21

3.3. Подготовка установки к работе

3.3.1.Соберите цепь по схеме, изображенной на рис. 4.1.

3.3.2.Совместите плоскость витка с плоскостью магнитного меридиана (стрелка должна находиться в плоскости витка). По лимбу определите положение северного конца магнитной стрелки (угловая координата 0 ).

3.3.3.Замкните цепь тангенс-гальванометра (ключ К) и перемещением движка реостата добейтесь отклонения стрелки на

угол 1 0 35‚ от начального положения ( – новая

угловая координата северного конца магнитной стрелки).

3.3.4. С помощью переключателя П измените направление тока в витках катушки тангенс-гальванометра и измерьте угловую координату северного конца магнитной стрелки, найдите 0 2 . Углы 1 и 2 не должны отличаться более,

чем на 3‚, в противном случае пп. 3.3.2–3.3.4 следует повторять до тех пор, пока не будет получен нужный результат.

3.3.5. Изменяя ток в цепи тангенс-гальванометра, проведите измерения углов отклонения 1 и 2 для пяти значений в интервале от 35‚ до 55‚. Результаты измерений занесите в табл. 4.1.

Таблица 4.1 Результаты измерений углов и расчета Bг при расположении

плоскостикатушки в плоскости магнитного меридиана

3.3.6. По формуле (4.3) вычислите значение горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли Bг и среднее значение Bг .

3.4. Произвольное положение витка с током

22

3.4.1. Установите плоскость витка произвольно по отношению к плоскости магнитного меридиана под углом 0 северного конца магнитной стрелки при разомкнутой цепи тангенсгальванометра.

Таблица 4.2 Результаты измерений углов и расчёта Bг при произвольном

положении витка

3.4.2. Замкните цепь тангенс-гальванометра и измерьте угловые координаты и для пяти различных значений тока I. Результаты измерений занесите в табл. 4.2.

3.4.3. По формуле (4.4) вычислите значение горизонтальной составляющей вектора магнитной индукции Bг , найдите среднее значение Bг , сравните его со значением, полученным в первой

части работы и с табличным значением.

3.5. Сделайте выводы: об эффективности метода определения индукции магнитного поля Земли с помощью тангенсгальванометра.

5. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ КАТУШКИ

1. Цель работы

Освоить экспериментальный метод определения индуктивности катушки.

2. Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] ÈÈ 60–62, 64; [2] ÈÈ 25.1, 25.2; [3] ÈÈ 122, 123, 126. Для выполнения работы студент должен: а) знать законы постоянного тока; фазовые соотношения в цепях переменного тока; закон электромагнитной ин-

24

( ν 50 Гц ) можно считать квазистационарным. Тогда для мгновенных значений тока должны выполняться законы Ома и Кирхгофа. Согласно обобщённому закону Ома для замкнутой цепи для

альное уравнение первого порядка относительно тока i . Решение данного уравнения запишем в виде

где i , Imax – мгновенное и амплитудное значения силы переменного тока в цепи, соответственно; – угол сдвига фаз между ЭДС источника и током.

Подставим (5.4) в (5.3) и получим:

ω L Imax cos ωt Imax R sin ωt εmax sin ωt ,

Поскольку это равенство является тождеством, т. е. оно должно выполняться в любой момент времени t , то коэффициенты при sin t и cos t в левой части и в правой части уравнения

Чтобы найти Imax , возведем оба уравнения в квадрат и сложим, получим

25

Выражение (5.9) представляет собой закон Ома для амплитудных значений тока и ЭДС, а выражение, стоящее в знаменателе, представляет собой модуль полного сопротивления электрической цепи Z, изображённой на схеме (см. рис. 5.2):

где R – активное сопротивление катушки.

3.3. Определение омического сопротивления катушки R

3.3.1.Собрать цепь по схеме на рис. 5.1, а. Движок реостата поставить в положение минимума снимаемого напряжения.

3.3.2.После проверки схемы преподавателем замкнуть ключ К, перемещая движок реостата, выбрать наиболее удобные пределы измерения приборов. Снять вольт-амперную зависимость

(показания приборов для значений напряжения U и тока IА занести в табл. 5.1).

3.3.3.По формулам IV U (сопротивление вольтметра RV

RV

указано на шкале прибора) и Iк I A IV рассчитать токи, проте-

кающие через вольтметр IV и катушку Iк, результаты вычислений занести в табл. 5.1.

Таблица 5.1 Результаты измерения омического сопротивления катушки

3.3.4. Построить график вольт-амперной зависимости Iк(U), откладывая по оси ординат ток катушки Iк, по оси абсцисс напряжение U. Котангенс угла наклона прямой, проведённой через

26

точки графика, определяет омическое сопротивление катушки

переменного тока Zк

3.4.1. В схеме на рис. 5.1, б заменить источник постоянного тока источником переменного тока. Вынуть сердечник из катушки.

3.4.2. После проверки схемы преподавателем замкнуть ключ и, перемещая движок реостата, выбрать наиболее удобные пределы измерения приборов. Снять вольт-амперную зависимость, результаты занести в табл. 5.2.

Таблица 5.2 Результаты измерения полного сопротивления катушки

3.4.3.Аналогично п. 3.3.3 рассчитать токи, протекающие че-

рез вольтметр IV и катушку Iк, результаты вычислений занести в табл. 5.2.

3.4.4.Построить график вольт-амперной зависимости Iк(U) на одном графике с вольт-амперной зависимостью для постоянного тока. По прямой, проведённой через точки графика, определить

полное сопротивление катушки Zк с tg U .

I

3.5. Определение полного сопротивления катушки с железным сердечником в цепи переменного тока Zc

3.5.1. Вставить в катушку сердечник и вновь повторить все измерения согласно пп. 3.4.1–3.4.4 (при необходимости изменить используемый предел измерения амперметра).

27

Результаты измерений занести в таблицу, аналогичную табл. 5.2.

3.6. Определение индуктивности катушки

ность катушки Lс с железным сердечником.

3.6.3. Рассчитать среднюю магнитную проницаемость с

сердечника по формуле μс Lc .

L

3.7. Сделайте вывод о влиянии сердечника на индуктивность катушки.

6. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ СТЕКЛА ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫМ МЕТОДОМ

1. Цель работы

Определение относительного показателя преломления стеклянной пластины.

2. Подготовка к работе

Прочитать в учебниках следующие параграфы: [1] ÈÈ 119– 121; [2] ÈÈ 31.1, 31.2. Для выполнения работы студент должен знать: а) суть явления интерференции; б) понятие когерентности, оптической длины пути, оптической разности хода; в) условия наблюдения максимумов и минимумов в интерференционной картине.

3. Выполнение работы 3.1. Описание лабораторной установки

Из лазера 1 (рис. 6.1) световой пучок падает на короткофокусный объектив 2 и, становясь расходящимся, освещает плоскопараллельную пластину 3.

Отражаясь от ее передней и задней поверхности, световые лучи получают разность хода и интерферируют между собой. На

28

экране Э интерференционная картина наблюдается в виде темных и светлых концентрических колец (полос равного наклона).

S

О С

Рис. 6.1. Схема получения интерференционной картины:

А, О , С – точки пересечения лучей с передней гранью пластины; В – точка отражения лучей задней гранью пластины; S – задний фокус объектива 2; S , S – точки, лежащие на темном кольце радиуса rm ; d – толщина пластины

3.2. Методика измерений и расчётов

3.2.1.Ознакомившись с устройством и работой всех узлов установки, включить лазер.

3.2.2.На экране установки поместить лист миллиметровой бумаги. Сделать в ней отверстие, совпадающее с центром луча лазера. Сориентировать пластину 3 перпендикулярно направлению луча лазера так, чтобы центральный луч, отражаясь от нее, попадал в центр отверстия на бумаге. Получить интерференционную картину в виде концентрических колец.

3.2.3.Пронумеровать наблюдаемые темные кольца в порядке возрастания их радиусов: N 1, 2, 3, …

3.2.4.Измерить диаметры колец по горизонтали D1 и по

вертикали D2 . Результаты измерений занести в табл. 6.1.

3.2.5.Найти средние значения rN , их квадраты rN 2 .

3.2.6.Построить график rN2 f (N ) .

3.2.7.По графику rN2 f (N ) определить тангенс угла наклона графика, равный значению , и найти показатель прелом-

29

ления стеклянной пластины по формуле n d .. Оценить 4 L2

погрешность измерений.

Таблица 6.1 Результаты измерений радиусов темных колец и полученные

значения величин: , n , m0 , k

3.2.8. Рассчитать максимальный порядок интерференции:

вычислить значение интерференционного порядка кольца, за которым все последующие кольца были пронумерованы.

3.3. Сделать вывод о сути линий равного наклона и интерференционного метода определения показателя преломления стекла.

7. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ДИФРАКЦИОННОЙ РЕШЕТКИ

1. Цель работы

Определение основных спектральных характеристик дифракционных решеток.

2. Подготовка к работе