Физика Лабораторный практикум. Часть 2 (2004)

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № Э9

ИНДУКЦИОННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ

Цель работы: ознакомиться с принципом работы милливеберметра и изучить зависимость индукции магнитного поля от силы тока в обмотке электромагнита.

Приборы и принадлежности: электромагнит с подвижными наконечниками, милливеберметр с измерительной катушкой, выпрямитель.

I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Рис.1. Схема рабочей установки: 1 - выпрямитель; 2 - электромагнит; 3 - милливеберметр; 4 - измерительная катушка.

Милливеберметр представляет собой баллистический гальванометр, используемый для измерения магнитного потока.

Гальванометры - это приборы, служащие для измерения слабых и кратковременных электрических токов.

Баллистический гальванометр является разновидностью гальванометра магнитоэлектрической системы, в котором лёгкая рамка при пропускании по ней тока поворачивается под действием силы Ампера в магнитном поле постоянного магнита, увлекая за собой стрелку прибора. Баллистический гальванометр отличается от обычного искусственным увеличением момента инерции его подвижной системы для быстрого затухания колебаний рамки. Так как при измерениях баллистическим гальванометром время протекания тока мало (меньше периода колебаний рамки), то можно считать, что рамка начинает свое движение уже после протекания тока, и первый отброс стрелки прибора пропорционален количеству электричества q, прошедшему через рамку.

Баллистический гальванометр (веберметр) включается в цепь измерительной катушки, помещаемой в исследуемое магнитное поле

52

(в данной лабораторной работе веберметр помещается между полюсами электромагнита).

Полный магнитный поток (потокосцепление) через катушку, установленную перпендикулярно силовым линиям магнитного поля

катушку, например, выключением тока в цепи электромагнита или

тока не постоянна Ii const , то в цепи измерительной катушки и

рамки гальванометра возникает ЭДС самоиндукции: S L dI . dt

По второму правилу Кирхгофа: IR i S , или

IR d L dI , где R - активное сопротивление катушки и рамки dt dt

гальванометра. Интегрируя последнее соотношение и учитывая, что

Idt = dq, Iнач = 0, Iкон = 0, получаем:

R Idt L(Iкон Iнач ) Rq,

0

т.е. количество протекшего через катушку и рамку гальванометра электричества (заряда q) пропорционально изменению магнитного потока через витки измерительной катушки.

Отброс стрелки баллистического гальванометра, пропорциональный количеству протекшего через него электричества, будет пропорционален изменению магнитного потока через витки измерительной катушки, соединенной с гальванометром:

стрелки при включении тока в цепи электромагнита; С - постоянная веберметра.

При выключении тока в электромагните магнитный поток уменьшится до нуля и изменение магнитного потока:

53

Из соотношений (1) и (2) получаем: BSN C( 0 ), откуда:

Таким образом, измерение индукции магнитного поля сводится к измерению отброса стрелки веберметра при выключении тока в цепи электромагнита. Значения С , S и N приведены на установке.

II.ПОРЯДОК РАБОТЫ

1.Собрать электрическую цепь (рис.1).

2.Установить между плоскими наконечниками электромагнита зазор

1-2 см.

3.Поместить измерительную катушку в зазор между полюсами электромагнита.

4.Включить ток в цепи электромагнита I1 и определить установившееся значение 0 по шкале милливеберметра. Записать значение 0 .

5.Выключить ток в электромагните и измерить максимальный отброс стрелки веберметра .

погрешность прибора и выразить их в радианах (10=1,75 10-2 рад).

7.Рассчитать по формуле (3) индукцию магнитного поля В1, соответствующей току I1. Определить её абсолютную

B1

окончательный результат: B1 ( B1 B1) Тл.

8.Повторить действия (п. 3-5) для других значений тока в цепи электромагнита (8 значений) и занести результаты в таблицу. Рассчитать по ним значения магнитной индукции В.

9.Построить по полученным результатам на миллиметровой бумаге график зависимости B=f(I).

10.Сделать выводы.

54

III.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.В чем заключается явление электромагнитной индукции? Записать закон Фарадея, описывающий явление электромагнитной индукции.

2.В чем заключается явление самоиндукции? Записать формулу ЭДС самоиндукции.

3.В чем заключается явление взаимной индукции?

4.Как формулируется правило Ленца?

5.Что называется индуктивностью? В каких единицах она измеряется? От чего зависит величина индуктивности?

6.Как рассчитать индуктивность соленоида? Пояснить входящие в формулу величены и их размерность.

7.Что называется магнитным потоком? В чем измеряется магнитный поток. Записать формулу магнитного потока для однородного поля

иплоской поверхности.

8.Что называется потокосцеплением? Записать формулу полного магнитного потока соленоида.

9.Какие приборы называются гальванометрами?

10.Описать принцип действия веберметра.

IV. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Титульный лист.

2.Цель работы.

3.Приборы и принадлежности.

4.Схема установки.

5.Расчетные формулы:

55

№

I, А

0 ,град

,град

B, Тл

10.График В=f(I).

11.Выводы.

56

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О1

ИЗУЧЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

Цель работы: ознакомиться с методом определения ускорения свободного падения; рассчитать значение ускорения при помощи математического маятника.

Приборы и принадлежности: математический маятник,

секундомер.

I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Рис.1. Схема установки: 1 – вертикальная стойка; 2 – горизонтальная планка; 3 – стопорный винт.

Определение ускорения свободного падения тел производится при помощи математического маятника. Математическим маятником называется идеализированная система, состоящая из материальной точки массой m, подвешенной на нерастяжимой невесомой нити, и колеблющейся под действием силы тяжести. Хорошим приближением математического маятника является тяжелый шарик, подвешенный на нерастяжимой нити (рис.1) длиной l. Нить укрепляется на вертикальной стойке 1 с нанесенной на боковой поверхности сантиметровой шкалой. Горизонтальная планка 2, через отверстие в которой пропускается нить, может перемещаться по стойке при ослаблении стопорного винта 3. При этом будет меняться длина маятника. Разность длин маятников (l1–l2) измеряется непосредственно по шкале стойки.

57

Для получения расчетной формулы ускорения свободного падения тел g, определяемого при помощи математического маятника, запишем формулы периодов Т1 и Т2 гармонических колебаний маятников различной длины l1 и l2:

Возведём эти уравнения в квадрат и вычтем одно из другого. Из полученного выражения определим ускорение свободного падения g:

II. ПОРЯДОК РАБОТЫ

1. Установить муфту с горизонтальной планкой на стойке в произвольном положении а1 и зафиксировать это положение на шкале стойки. Длина маятника l1.

2. Измерить период Т1 собственных колебаний маятника при длине l1. Для этого отклонить маятник от положения равновесия на 5-8 и, предоставив ему свободно колебаться, измерить секундомером промежуток времени t1, в течение которого маятник совершит 10

колебаний. Рассчитать период по формуле: Т1 t1 .

N

Т1 по секундомеру.

4.Переместить муфту с горизонтальной планкой по стойке в положение а2 и зафиксировать это положение. Длина маятника l2.

5.Измерить период Т2 собственных колебаний маятника при длине l2, производя действия, описанные в п.2. Повторив опыт 5 раз,

погрешность Т2.

6.Найти изменение длины маятника (l1 – l2) = (а1 – а2).Определить абсолютную погрешность (l1 l2 ) по прибору.

7.Определить ускорение свободного падения g по формуле (1). Оценить абсолютную погрешность:

58

g

и относительную погрешность: 100%. Записать

g

окончательный результат: g = ( g g) м/с2.

III.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что называется колебаниями?

2.Какие колебания называются свободными?

3.Какие колебания называются гармоническими? Изобразить графически гармонические колебания.

4.Записать уравнение гармонических колебаний, пояснить входящие

внего величины, записать их размерность.

5.Что называется амплитудой, фазой, периодом, частотой, круговой частотой колебаний?

6.Изобразить гармоническое колебание с помощью векторной диаграммы.

7.Записать зависимость координаты х от времени, формулу скорости V и ускорения а материальной точки, совершающей гармонические колебания.

8.Записать формулу кинетической, потенциальной и полной энергии материальной точки, совершающей гармонические колебания.

9.Дать определение математического маятника.

10.Записать формулу периода малых колебаний математического маятника, пояснить входящие в нее величины, записать их размерность.

V. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

1.Титульный лист.

2.Цель работы.

3.Приборы и принадлежности.

4.Расчетные формулы:

ускорение свободного падения: g=

g=

5.Определение периода колебаний маятника Т1 при длине l1. Положение точки подвеса а1=

Число колебаний N=

59

6.Определение периода колебаний маятника Т2 при длине l2. Положение точки подвеса а2 =

Число колебаний N =

7. Изменение длины маятника: (l1 – l2) = (а1 – а2) =

(l1 l2 )=

8.Ускорение свободного падения:

g =

g=

g

100%=

g

Окончательный результат: g= 9. Выводы.

60

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № О2

ИЗУЧЕНИЕ ГАРМОНИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ ФИЗИЧЕСКОГО МАЯТНИКА

Цель работы: ознакомиться с методом определения ускорения свободного падения; рассчитать значение ускорения при помощи физического маятника.

Приборы и принадлежности: физический маятник,

секундомер.

I. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ

Рис. 1. Физический маятник: О, О′ - точки подвеса; С – центр масс тела; L– приведенная длина.

Определение ускорения свободного падения тел g производится при помощи физического маятника. Физический маятник – твердое тело, совершающее под действием силы тяжести колебания вокруг неподвижной горизонтальной оси подвеса, не проходящей через центр масс тела С. В данной работе физический маятник представляет собой массивную пластину с параллельными друг другу опорными призмами, расположенными в точках О и О , относительно которых он может совершать колебания. Точка О на прямой, соединяющей точку подвеса О с центром масс тела С, лежащая на расстоянии приведенной длины L от оси вращения, называется центром качания физического маятника.

61