Бойко В.В. (укл.) Фізика. Основні поняття та закони. Лабораторний практикум і збірник задач

Подождите немного. Документ загружается.

⋅

−

Запитання для самоконтролю

І. Як і чому опір металу залежить від температури?

2. Температурний коефіцієнт опору. Порядок його величини

для металів.

3. Чому гальванометр у містку Уїтстона повинен мати двобічну

шкалу з нулем посередині?

4. Виведіть умову рівноваги містка Уїтстона.

5. Які переваги методу визначення опору містком Уїтстона по-

рівняно з методом амперметра і вольтметра?

6. Сформулюйте правила Кірхгофа, застосуйте їх до вузлів і ко-

нтурів містка Уїтстона.

121

РОЗДІЛ 4. ЕЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ

РОБОТА 4.1

ВИЗНАЧЕННЯ ПИТОМОГО ЗАРЯДУ ЕЛЕКТРОНА МЕТОДОМ

МАГНЕТРОНА

Мета роботи: вивчення законів руху заряджених частинок в

електричному і магнітному полях; визначення питомого заряду елек-

трона методом магнетрона (індикаторної лампи).

У даній роботі потрібно визначити питомий заряд електрона

(відношення заряду електрона до його маси –

Принцип визначення питомого заряду ґрунтується на відхиленні

електрона, що рухається в радіальному електричному полі, магнітним

полем (метод магнетрона).

Магнетроном називається високовакуумна електронна лампа з

розжареним катодом, у якій потік електронів керується одночасно

електричним і магнітним полями. Як магнетрон у даній роботі вико-

ристовується ламповий діод з циліндричним анодом

А і прямоліній-

ним катодом

К , розміщеним вздовж осі симетрії анода (індикаторна

лампа, рис. 1). Лампа вміщена в аксіальне (спрямоване паралельно осі

анода) однорідне магнітне поле

, створене соленоїдом. На елект-

рон, що рухається в однорідному магнітному полі, перпендикулярно

до ліній магнітної індукції діє сила Лоренца

F = evB. Сила Лоренца завжди перпендикулярна вектору швидкості

електрона, а також вектору магнітної індукції

, тому вона не ви-

конує роботи, а лише змінює напрямок швидкості, не змінюючи її ве-

личини. Сила Лоренца грає роль доцентрової сили, отже електрон, що

Рис. 1

Рис. 2

122

має швидкість v

┴

, в однорідному магнітному полі рухається по

колу

(рис. 2, вектор

перпендикулярний площині рисунка і спрямо-

ваний "на нас" ). Радіус кола

r визначається із рівності:

evB

(1)

З формули (1) випливає, що радіус кола обернено пропорційний

магнітній індукції :

У магнетроні джерелом електронів є розжарений катод. Елект-

рони, що вилітають з катода, під дією прискорюючої різниці потенці-

алів

U (анодної напруги) рухаються до анода і набувають кінетичної

енергії

, що дорівнює роботі сил поля:

⋅=

. (2)

За відсутності магнітного поля у соленоїді траєкторії цих елект-

ронів являють собою радіальні лінії. При включенні струму

І через

соленоїд у ньому виникає магнітне поле з індукцією :

InB

= , (3)

Рис. 3

Анод

Катод

В<В

В=0

В>В

КР

В=В

КР

123

де µ

− магнітна стала (

Гн

10р4

−

⋅=

); n − число витків на одиниці

довжини соленоїда. Магнітне поле викривляє траєкторії електронів.

Тепер форма траєкторії є більш складною, ніж коло (або частина ко-

ла), оскільки на шляху від катода до анода швидкість електрона не є

сталою величиною, а збільшується під дією радіального електричного

поля.

У міру підсилення індукції магнітного поля траєкторії руху еле-

ктронів все більше викривлятимуться і при деякому "критичному"

значенні

кр.

вони не досягатимуть анода і по замкнених траєкторіях

повертатимуться на катод.

Після точного розрахунку критичного значення магнітної індук-

ції маємо співвідношення:

.кр

)1(

−⋅⋅

, (4)

де

і r

–відповідно радіуси циліндрів анода і катода. При r

<< r

відношенням

/ r

в формулі (4) можна знехтувати. В цьому набли-

женні з формули (4) знаходимо:

.кр

⋅

(5)

(зазначимо, що останнє співвідношення формально можна одержати з

формули (І) і (2), приймаючи там

r = r

/ 2).

Критичну індукцію

кр

визначають, поступово збільшуючи

струм

І через соленоїд за допомогою реостата (рис.4). При цьому

електронний пучок все більше закручується у просторі між катодом і

анодом і при

І = І

кр

. відривається від внутрішніх стінок катода.

Підставивши у формулу (5) значення

кр.

= µ

кр.

n , знаходимо

питомий заряд електрона :

.кр

rIn

⋅

. (6)

124

~ 6,3 B

250 B

Рис. 4

Рис. 5

Установка складається з двох незалежних електричних кіл: жив-

лення соленоїда (рис. 4) і живлення та зміни анодного струму діода

(рис. 5).

Порядок виконання роботи

1. Складають електричні кола за схемами (рис. 4 та 5).

2. Подають напругу розжарення 6,3 В.

3. Включають анодну напругу 250 В. Потенціометром

вста-

новлюють напругу

U, яку вимірюють вольтметром V.

4. Включають живлення соленоїда. Реостатом

поступово збі-

льшують струм

І, стежачи за "вічком" лампи, щоб відмітити момент

відриву пучка від внутрішніх стінок анода (анод темніє). Фіксують

величину струму

кр.

,що проходить через соленоїд.

5. Записують значення

U, та І

кр

до таблиці.

Задані величини Результати прямих

вимірювань

Результати

непрямих

вимірювань

№

п/п

n, м

-1

, м U, В I, А

e/m, Кл/кг

<x>

гр

,γ

∆

125

6. Дослід повторюють три рази для різких значень анодної нап-

руги, змінюючи його потенціометром

7. Для кожного досліду визначають величину питомого заряду

електрона за формулою (6).

8. Обчислюють середнє значення

〉〈

і порівнюють його з тео-

ретичним.

9. Враховуючи тільки систематичні похибки, визначають відно-

сну похибку

е/m

одного із вимірювань:

е/m

= ε

+ 2ε

+2 ε

е/m

Визначають довірчу границю похибок:

mee/m

ε⋅〉〈=∆

10. Оформляють звіт і роблять висновки

Запитання для самоконтролю

1. Дайте визначення магнітної силової лінії і графічно зобразіть маг-

нітне поле соленоїда.

2. Розкрийте фізичний зміст магнітної індукції

і дайте визначення

одиниці її вимірювання в СІ.

3. Запишіть вираз для магнітної індукції поля всередині нескінченно

довгого соленоїда, поясність зміст позначень.

4. Запищіть векторний вираз для сили Лоренца та вкажіть її напря-

мок.

5. Якою є траєкторія руху зарядженої частинки в однорідному магні-

тному полі?

РОБОТА 4.2

ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ ІНДУКЦІЇ

МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Мета роботи: вивчити взаємодію магнітних полів колового

струму та Землі; визначити горизонтальну складову індукції магнітно-

го поля Землі за допомогою тангенс - гальванометра.

Прилади та обладнання: тангенс - гальванометр, джерело стру-

му, реостат, перемикач.

Силовою характеристикою магнітного поля є вектор індукції

магнітного поля

. Індукція магнітного поля Землі невелика і зміню-

126

ється від 0,4.І0

-4

Тл на екваторі до 0,7.І0

-4

Тл поблизу магнітних полю-

сів. Вектор магнітної індукції

Землі можна розкласти на дві скла-

дові: горизонтальну

та вертикальну

. Закріплена на вертикаль-

ній осі магнітна_стрілка встановлюється в напрямку горизонтальної

складової

Горизонтальну складову магнітного поля Землі

можна ви-

значити за допомогою тангенс-гальванометра, що складається з тонкої

котушки, в центрі якої розміщена стрілка (рис. І). Котушка має кілька

колових вертикальних витків. Перед початком роботи котушку вста-

новлюють так, щоб магнітна стрілка розмістилась у площині витків.

Якщо через котушку пропустити струм, то він створить магнітне поле

. Вектор магнітної індукції

цього поля в центрі витків спрямо-

ваний перпендикулярно

− горизонтальній складовій вектора інду-

кції магнітного поля Землі. Стрілка приладу встановлюється вздовж

рівнодійної

обох векторів. Із рис. 2 видно, що:

отже

. (1)

Магнітна індукція

у центрі тонкої котушки зі струмом визнача-

ється за виразом:

= , (2)

де

N − число витків котушки; r−її радіус; І −сила струму в котушці ;

= 1,26·10

-7

Гн/м – магнітна стала.

З формул (І) і (2) випливає, що:

rtg

⋅

. (3)

127

Порядок виконання роботи

1. Складають електричне коло за схемою, зображеною на рис. 3.

2. Повертаючи підставку тангенс-гальванометра, встановлюють

його витки в площині магнітного меридіана. У цьому випадку один із

кінців магнітної стрілки повинен знаходитись на відмітці 0° або 180°.

3. Вмикають джерело струму і встановлюють реостатом силу

струму

І .Для двох напрямків установленого струму (напрямок струму

в колі змінюють на протилежний перемикачем К) за лімбом бусолі

відмічають кути повороту магнітної стрілки

і α

. (4)

4. Вимірювання повторюють для трьох різних значень струму

І і

двох його протилежних напрямків. Для кожного заданого струму зна-

ходять середнє значення кута повороту.

5. За формулою (3) для кожного значення струму знаходять го-

ризонтальну складову магнітного поля Землі

6. Для одного із вимірів

визначають відносну похибку:

Вг

= ε

+ε

+ ε

tgα

;

2si

∆⋅

де

∆

− виражається в радіанах.

7. Розраховують довірчу границю похибок:

BВг

B ε⋅>=<∆

8. Оформляють звіт та роблять висновки.

Рис. 1

Рис. 2

Рис. 3

128

Задані

величини

Результати прямих

вимірювань

Результати

непрямих

вимірювань

№

п/п

N I, А r, м α

α tg α B ,Тл

<x>

гр

, γ

∆

Запитання для самоконтролю

1.Дайте визначення та одиниці вимірювання в системі СІ магні-

тної індукції.

2. Запишіть і сформулюйте закон Біо – Савара - Лапласа, дайте

ілюстрацію рисунком.

3. Отримайте вираз для напруженості та індукції магнітного по-

ля в центрі колового витка із струмом, використовуючи закон Біо –

Савара - Лапласа.

4. Виведіть робочу формулу.

129

ЛАБОРАТОРНІ РОБОТИ ПО МОДУЛЮ 3

РОЗДІЛ 5. ОПТИКА

РОБОТА 5.1

ВИЗНАЧЕННЯ ПОКАЗНИКА ЗАЛОМЛЕННЯ

ЗА ДОПОМОГОЮ МІКРОСКОПА

Мета роботи: вивчити принцип дії мікроскопа і за його допо-

могою визначити показник заломлення

n скляної пластинки.

Прилади та обладнання: мікроскоп, скляна плоскопаралельна

пластинка, мікрометр.

Обґрунтування методу вимірювання

Світловий промінь, який падає на межу поділу двох прозорих

середовищ, частково відбивається, а частково заломлюється (рис.1).

Згідно з законом заломлення світла заломлений промінь ле-

жить у площині падіння, а відношення синуса кута падіння

до си-

нуса кута заломлення

γ для двох даних середовищ з різною оптичною

густиною є величиною сталою:

sin

. (1)

Стала величина

n називається відносним показником за-

ломлення другого середовища відносно першого.

Відносний показник заломлення

n зв’язаний з абсолютними

показниками першого і другого середовищ

n і

n співвідношенням:

n =

. (2)

Aбсолютним показником заломлення середовища нази-

вається величина

n , яка вимірюється відношенням швидкості c

світлових хвиль у вакуумі до їх фазової швидкості

у середовищі :

n =

. (3)

Оптична густина середовища характеризує залежність швид-

кості світла від природи середовища і вимірюється абсолютним по-

казником заломлення.

Оптична густина вакууму (повітря) дорівнює одиниці.

130