fisika_samrab

ская сумма падений напряжения равна алгебраической сумме ЭДС:

I k R k Ek .

При анализе разветвленной цепи следует обозначать с одним и тем же индексом ток, протекающий по всем последовательно соединенным элементам от одного узла до другого. Направление каждого тока выбирается произвольно.

При составлении уравнений по второму правилу Кирхгофа токам и ЭДС нужно приписывать знаки в соответствии с заранее произвольно выбранным направлением обхода:

ток принято считать положительным, если он совпадает с направлением обхода, и отрицательным, если - против этого направления;

ЭДС считается положительной, если ее действие (создаваемый ею ток) совпадает с направлением обхода.

Количество уравнений, составленных по первому правилу Кирхгофа, должно быть на одно меньше количества узлов в данной цепи. Количество независимых уравнений по второму правилу Кирхгофа должно быть таким, чтобы общее количество уравнений оказалось равным количеству различных токов. Каждый новый контур при этом должен содержать хотя бы один участок цепи, не вошедший в уже рассмотренные контуры.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

В данной лабораторной работе исследуется модель простейшей разветвленной электрической цепи, состоящей из трех источников ЭДС,

подключенных параллельно к одному резистору (нагрузке).

Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы и зарисуйте их в конспект.

20

Нарисуйте в конспекте эквивалентную схему цепи, расположив источники один под другим, и, учитывая наличие внутреннего сопротивления у каждого источника, укажите знаки ЭДС, направления токов в каждом участке и направления обхода каждого замкнутого контура. Составьте систему уравнений для нахождения токов в каждом участке.

Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений.

ИЗМЕРЕНИЯ

Соберите на экране заданную эквивалентную цепь. Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши над кнопкой ЭДС в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Ориентируйтесь на рисунок схемы в описании к данной ЛР. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части экрана, где будет расположен первый источник ЭДС. Переместите маркер мыши вниз на одну клетку и снова щелкните левой кнопкой под тем местом, где расположился первый источник. Там появится второй источник ЭДС. Аналогично разместите и третий источник.

Разместите далее последовательно с каждым источником резистор, изображающий его внутреннее сопротивление (нажав предварительно кнопку R в нижней части экрана) и амперметр (кнопка А там же). Затем расположите резистор нагрузки и последовательно соединенный с ним амперметр. Под нагрузкой расположите вольтметр, измеряющий напряжение на нагрузке.

Подключите соединительные провода. Для этого нажмите кнопку провода внизу экрана, после чего переместите маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкните левой кнопкой мыши в точке, где проходит провод.

Установите значения параметров для каждого элемента. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой. Затем щелкните на данном элементе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте величину параметра и установите числовое значение, равное взятому из табл.1 для вашей бригады.

Установите сопротивления резистора нагрузки R = 1 Ом. Измерьте значения всех токов и напряжения на нагрузке (щелкнув мышью по кнопке «Счет») и запишите их в табл.2. Меняя сопротивление R, повторите измерения параметров и заполните табл.2.

Пример таблицы 1 Значения ЭДС и внутренних сопротивлений (не перерисовывать)

21

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Запишите для вашей цепи решение системы уравнений для всех токов в общем виде.

Рассчитайте значения всех токов для каждого сопротивления нагрузки и запишите в табл.3.

Постройте график экспериментальной зависимости падения напряжения на нагрузке U от тока I через нее.

Сформулируйте выводы по графику.

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1.Что такое электрический ток?

2.Дайте определения силы тока и разности потенциалов.

3.Напишите формулу, связывающую приращение потенциалов и напряжение.

4.Напишите формулы для сопротивления параллельно и последовательно соединенных резисторов.

5.Какой участок цепи называется неоднородным?

6.Запишите закон Ома для неоднородного участка цепи.

7.Какими характеристиками описывается источник ЭДС?

8.Сформулируйте первый закон Кирхгофа.

9.Сформулируйте второй закон Кирхгофа.

10.Что такое узел электрической цепи?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Электричество и магнетизм. Оптика) /Ю.В.Тихомиров : учеб. пособие для студ. высш. техн. учеб. заведений дневн., вечер. и заоч. (дистанционной) форм обучения. - М., 2002.-52 с.

2.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.1. М.: Наука, 1982.

3.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.2. М.: Наука, 1978.

4.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.3. М.: Наука, 1979.

22

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №41

«ИЗМЕРЕНИЕ УДЕЛЬНОГО ЗАРЯДА ЭЛЕКТРОНА С ПОМОЩЬЮ МАГНИТНОГО ПОЛЯ»

1. Удельным зарядом частицы называется отношение заряда q этой частицы к ее массе m.

В данной работе определяется удельный заряд элек-

Катод нагревается электрическим источником питания (~ 6 В) и испускает электроны (явление термоэлектронной эмиссии). Для ускорения их между катодом и сеткой подается постоянная разность потенциалов Uа, создающая радиальное электрическое поле перпендикулярное к оси катода. Электроны, пролетевшие сквозь сетку, двигаясь по инерции, попадают на анод. Так как сетка расположена близко к катоду, то даже незначительное изменение напряжения между сеткой и катодом сильно влияет на величину анодного тока.

Лампа помещается в магнитное поле, направленное вдоль оси катода, таким образом электроны движутся во взаимно перпендикулярных электрическом и магнитном полях. В расчетах полагаем, что скорость электронов, вылетевших из катода, равна нулю, т.к. скорость теплового движения электронов в катоде мала по сравнению со скоростью, приобретаемой ими

вполе сетки (она приблизительно на порядок меньше). Со стороны элек-

eE ( e заряд элек-эл

трона, E вектор напряженности электрического поля).

Движение электронов равноускоренное. В конце пути между катодом и анодом электроны приобретут скорость V, которую легко найти. Дейст-

где m масса электрона.

23

Откуда имеем:

где =1 магнитная проницаемость среды;0 = 4 10-7г/м магнитная постоянная вакуума; n число витков на единицу длины

( n Nl ; N общее число витков; l длина соленоида).

Отсюда удельный заряд электрона рассчитывается по формуле

3. Скорость каждого электрона, преодолевающего расстояние от катода до анода, складывается из скорости его теплового движения и скорости направленного движения, приобретаемой в электрическом поле.

24

Испускаемые поверхностью раскаленного металла электроны имеют различные начальные скорости и направления движения, поэтому радиусы r кривизны их траекторий в лампе будут различаться. Для одних электронов радиус кривизны траектории может оказаться больше, чем расстояние R от катода до анода (приближенно можно принять, что R равно радиусу корпуса электронной вакуумной лампы), и электроны в конце концов попадают на анод (в этом случае в анодной цепи регистрируется ток Ia). Для других электронов r может быть меньше, чем R и они с большой вероятностью будут захвачены сеткой лампы, так и не достигнув анода, тогда миллиамперметр в анодной цепи покажет отсутствие тока (Ia =0).

Как следует из формулы (8), радиусы траекторий зависят от тока в соленоиде Ic: чем больше Ic, тем меньше радиус.

Наименьшее значение тока в соленоиде Ic, при котором для большинства электронов r R, назовем критическим значением тока в соленоиде

ск. Току ск соответствует критический радиус rk R . В результате:

цах диапазона линейную зависимость. Продолжив прямолинейный участок этого графика (в центре диапазона) до пересечения с осью абсцисс, определяют величину тока ск, при котором Ia =0.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Соберите цепь питания триода (рис. 3).

25В

+

2.Соберите цепь регулировки тока соленоида (рис. 4).

3. При заданном анодном напряжении (+12 В), за постоянством которого необходимо следить в ходе выполнения работы, замыкается цепь накала катода и через некоторое время, нужное для прогрева катода, снимается зависимость значений анодного тока при изменении тока соленоида с равномерным интервалом во всем доступном диапазоне (не

25

менее 6 8 значений). Результаты измерений занесите в таблицу. Ток соленоида (мА)

Анодный ток (мкА)

4. По данным таблицы постройте график a f c и, продолжив прямолинейный участок графика до пересечения с осью абсцисс, определите величину тока ск. (в работе погрешность измерений

ck 100% 10% ).

ck

5.По формуле (9) рассчитайте удельный заряд электрона.

6.Запишите окончательный результат, сравнив его со значением из справочника.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дайте определение удельного заряда частицы?

2.Что такое сила Лоренца? Какова величина и направление силы?

3.Какова траектория электрона, движущегося с постоянной скоростью в однородном магнитном поле и как рассчитать ее радиус?

4.По какой формуле можно найти величину индукции магнитного поля бесконечно длинного соленоида?

5.Вывести расчетную формулу.

6.Что такое критический ток соленоида?

7.Что такое критический радиус траектории электронов?

8.Объясните способ графического нахождения критического тока ск.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1.Курс общей физики /С.Э.Фриш, А.В. Тиморева. Т.2. - М., 1962.

2.Общий курс физики /Д.В. Сивухин. Т.3: Электричество. М.: Физматгиз,

1977.

3.Практикум по физике /А.В. Кортнев,Ю.В. Рублев, А.Н. Куценко. М.:

Высш.шк., 1961.

4.Лабораторные работы по курсу физики с компьютерными моделями (Электричество и магнетизм. Оптика) /Ю.В.Тихомиров : учеб. пособие для студ. высш. техн. учеб. заведений дневн., вечер. и заоч. (дистанционной) форм обучения. - М., 2002.-52 с.

5.Теория электронных приборов сверхвысоких частот /С.Д. Гвоздовер. М.: Физматгиз, 1966.

6.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.1. М.: Наука, 1982.

7.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.2. М.: Наука, 1978.

8.Курс общей физики /И.В. Савельев. Т.3. М.: Наука, 1979.

26

аддитивность (суммируемость);

инвариантность (одинаковость во всех инерциальных системах отсчета);

дискретность (наличие элементарного заряда, обозначаемого е, и крат-

ность любого заряда этому элементарному: q = Ne, где N любое целое положительное и отрицательное число);

подчинение закону сохранения заряда (суммарный заряд электрически изолированной системы, через границы которой не могут проникать заряженные частицы, сохраняется);

наличие положительных и отрицательных зарядов (заряд - величина алгебраическая).

Закон Кулона определяет силу взаимодействия двух точечных зарядов (здесь силу, действующую на заряд q2 со стороны заряда q1)

ках одинакова как по величине, так и по направлению. Соответственно сила, действующая на заряженную частицу в однородном поле, везде одинакова, поэтому неизменным будет и ускорение частицы, определяемое

частицы по вертикали и VY - вертикальная компонента скорости в момент времени, когда частица вылетает из конденсатора.

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ

Закройте окно теории. Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы. Зарисуйте схему эксперимента: пластины конденсатора и траекторию движения частицы. Нажав кнопку «Старт», наблюдайте на экране движение частицы.

28