Волков А.Ф., Лумпиева Т.П. Лабораторный практикум по физике

Подождите немного. Документ загружается.

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №49

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число

делений на

шкале

Цена деления

с указанием

единицы

измерения

1 Вольтметр

2 Амперметр

ЭДС источника ε = _______________________

№

п/п

Вт

Дата________ Подпись преподавателя___________________

131

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

Лабораторная работа №50

ИЗМЕРЕНИЕ ЭДС И ВНУТРЕННЕГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Цель работы – измерить эдс, ток короткого замыкания и внутреннее со-

противление химического источника тока.

Приборы и принадлежности: гальванический элемент, микроамперметр,

милливольтметр, переменный резистор, выключатель.

Общие положения

По закону Ома для замкнутой цепи, содержащей источник тока

, (1)

где I – сила тока; ε – эдс гальванического элемента, R − сопротивление внешне-

го участка цепи; r − внутреннее сопротивление элемента.

По закону Ома для однородного участка напряжение U на внешнем уча-

стке цепи

. (2)

Из формулы (1) следует, что

−

(3)

или, с учетом (2),

−

. (4)

Для данного источника эдс ε и внутреннее сопротивление r являются ве-

личинами постоянными, следовательно, напряжение

U на внешнем участке це-

пи будет линейно зависеть от силы тока

I (рис. 1)

Из анализа формул (1), (2), (4) и графика (рис.1) можно сделать следую-

щие выводы:

1. Если внешнее сопротивление

R стремит-

ся к нулю, то напряжение на этом сопротивле-

нии также стремится к нулю. Ток

к.з.

, возни-

кающий в цепи при

R→0, называется током

короткого замыкания. Из формулы (1) следует,

что

к.з.

. (5)

Короткое замыкание нежелательно, так как

большие токи вызывают нагрев элементов электрической цепи и быстро разря-

жают источник.

к.з.

Рисунок 1

2. Если внешнее сопротивление

R стремится к бесконечности, то ток I в це-

пи стремится к нулю. Из формулы (4) следует, что при этом

. (6)

132

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

В реальных условиях нельзя измерить эдс источника непосредственно,

так как сопротивление вольтметра конечно. Но, учитывая линейный характер

связи между напряжением и током, можно ограничиться получением зависимо-

сти на участке достаточно удаленном от значений малых (

I→ 0) и больших

(

I→ I

к.з.

) токов.

Описание экспериментальной установки

Установка (рис. 2) состоит из источника тока G1 (гальванический эле-

мент), микроамперметра

mА, милливольтметра mV, переменного резистора R,

ключа

K1. Схема смонтирована на стенде.

P 2

m A

P 1

G 1

K 1

m V

Рисунок 2

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

2. Какие величины Вы будете измерять непосредственно?

3. Какие графики надо построить по результатам эксперимента?

4. Какие величины необходимо рассчитать в работе?

Выполнение работы

1. Установить подвижный контакт резистора R в положение R

max

. Электриче-

скую цепь замыкать только на короткое время измерений нажатием рычага

ключа

K1. Снять показания микроамперметра и милливольтметра.

2. Изменяя сопротивление нагрузки с помощью переменного резистора

R (от

max

до R

min

) 10 раз, каждый раз снимать показания микроамперметра и

милливольтметра.

3. Повторить измерения согласно пунктам 1 и 2 еще два раза.

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Построить три графика зависимости напряжения от силы тока .

()

IfU =

2. Экстраполируя графики до пересечения с осями, определить три значения

эдс

ε и тока короткого замыкания I

к.з.

133

Описания лабораторных работ Электростатика и постоянный ток

3. Используя формулу (5), рассчитать внутреннее сопротивление r источника.

4. Найти средние значения измеренных величин. Абсолютную погрешность

рассчитать как для прямых измерений.

5. Найти относительную погрешность измерений.

6. Результаты представить в стандартном виде:

к.з.

ср

к.зк.з.

III Δ±=

ср

rrr

ср

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Сформулируйте закон Ома для замкнутой цепи, содержащей источник тока.

Запишите формулу.

2. Сформулируйте закон Ома для однородного участка цепи. Запишите

формулу.

3. Какой ток называется током короткого замыкания? Как его можно

рассчитать?

4. Почему нежелательно короткое замыкание?

5. Почему в реальных условиях нельзя непосредственно измерить эдс?

134

Электростатика и постоянный ток Описания лабораторных работ

ПРОТОКОЛ

измерений к лабораторной работе №50

Выполнил(а)_____________________ Группа__________________

Определение цены деления приборов

№

п/п

Прибор

Предел подключения

с указанием единицы

измерения

Число

делений на

шкале

Цена деления

с указанием

единицы

измерения

1 Милливольтметр

2 Миллиамперметр

Опыт 1

mВ

Опыт 2

mВ

Опыт 3

mВ

Дата________ Подпись преподавателя___________________

135

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Лабораторная работа № 54

ИЗМЕРЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ИНДУКЦИИ

МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И МАГНИТНОГО МОМЕНТА МАГНИТА

МЕТОДОМ ГАУССА

Цель работы − измерить горизонтальную составляющую индукции маг-

нитного поля Земли и магнитный момент магнита.

Приборы и принадлежности: полосовой магнит, буссоль с компасом, се-

кундомер, штангенциркуль.

Общие положения

Вокруг Земного шара существует магнитное поле, линии индукции кото-

рого изображены на рис. 1. Вектор индукции (а также и вектор напряженности)

магнитного поля Земли в средних широтах направлен под некоторым углом к

поверхности Земли и может быть разложен на две составляющие: горизонталь-

ную и вертикальную .

⊥

Рисунок 1

Для определения горизонтальной составляющей индукции магнитного

поля Земли используются различные методы. Суть метода Гаусса заключается

в последовательном проведении двух экспериментов: 1) нахождение магнитно-

го момента вспомогательного магнита из его колебаний под действием магнит-

ного поля Земли; 2) сравнение магнитного поля вспомогательного магнита в

какой-либо точке с горизонтальной составляющей индукции магнитного поля

Земли в этой же точке по действию на стрелку компаса.

Магнитный момент магнита

− это вектор, направленный от южного

полюса магнита (S) к северному (N). Величина магнитного момента зависит

только от индивидуальных свойств магнита (от размеров и степени намагни-

136

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

ченности). Для определения магнитного момента вспомогательного магнита

Гаусс предложил определить период колебаний этого магнита.

Если в однородное магнитное поле индук-

цией

поместить магнит (рис. 2), то на него, как

на контур с током, будет действовать вращающий

момент:

sinBpM

, (1)

где p

– магнитный момент магнита;

В – индукция магнитного поля;

α – угол между направлением

и B

Для измерения вращающего момента М исполь-

зуют колебания, которые совершает магнит в

магнитном поле Земли. Магнит подвешивают на нитке так, чтобы он мог сво-

бодно вращаться вокруг вертикальной оси, проходящей через его центр масс.

При малых углах отклонения sin

α≈α, следова

Рисунок 2

тельно

. Согласно ос-

новному закону динамики вращательного движения

. Тогда

−

JBp

, (2)

где J – момент инерции магнита;

d α

− его угловое ускорение.

Подставив в формулу (2) угловое ускорение

ε и проведя преобразования,

получим:

=α+

. (3)

Из теории колебаний известно, что уравнение вида

=αω+

(4)

описывает гармонические колебания. Сравнив формулы (3) и (4), получим:

=ω

, (5)

где

− циклическая частота колебаний.

Тогда период колебания магнита

π= 2 , (6)

где

В − горизонтальная составляющая индукции магнитного поля Земли.

Если магнит имеет форму прямоугольного параллелепипеда и вращается

вокруг вертикальной оси, проходящей через центр масс (рис. 3), то его момент

инерции равен

137

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

(

)

J +=

, (7)

где m − масса магнита,

Рисунок 3

d − ширина,

l – длина магнита.

Для определения двух неизвест-

ных величин и

B проводятся две

части эксперимента. В первой части из-

меряют период крутильных колебаний.

Затем из формулы (6) определяют вели-

чину произведения . Во второй час-

ти эксперимента определяется величина

отношения

Для этой цели исполь-

зуется буссоль с компасом

В отсутствии посторонних магнитов стрелка компаса устанавливается

под влиянием земного магнитного поля в плоскости магнитного меридиана

(направление приблизительно с юга на север). Если расположить ось магнита

перпендикулярно к этой стрелке (с запада на восток), то стрелка отклонится и

установится по направлению равнодействующей поля

(рис. 4). Предполага-

ется, что магнит удален настолько далеко, что в области, занимаемой стрелкой,

поле этого магнита однородно и индукция его

направлена перпендикулярно

горизонтальной составляющей индукции

земного магнитного поля.

Из рисунка 4 видно, что при этих условиях

⋅

(8)

где ϕ − угол отклонения

стрелки компаса от маг-

нитного меридиан

а.

Поле прямого магни-

та на его оси:

, (9)

где μ

=4π⋅10

−7

Гн/м – маг-

нитная постоянная;

R – рас-

стояние от центра масс

магнита до центра стрелки компаса.

Рисунок 4

Подставив (9) в (8), получим

tg2

ϕπ

. (10)

Решив совместно уравнения (6) и (10) относительно

В и p

, получим:

138

Электромагнетизм Описания лабораторных работ

πμ

, (11)

tg81

ϕπ

(12)

Подготовка к работе

(ответы представить в письменном виде)

1. В чем состоит цель работы?

Какие физические величины в работе измеряются непосредственно?

Какие величины необходимо определить в работе?

Запишите формулу, по которой рассчитывается горизонтальная составляю-

щая индукции магнитного поля Земли. Поясните смысл обозначений.

Запишите формулу, по которой рассчитывается магнитный момент магнита.

Поясните смысл обозначений.

Выполнение работы

1. Измерить длину l и ширину d магнита. Записать значение массы магнита

(

m=250 г).

Подвесить магнит так, чтобы он принял горизонтальное положение, и ус-

тановить его в положение равновесия. Затем отклонить магнит в горизон-

тальной плоскости на малый угол. Магнит начнет совершать крутильные

колебания.

Включить секундомер в момент наибольшего отклонения магнита и изме-

рить время

t, в течение которого магнит совершит N полных колебаний

(10÷15). Опыт повторить 3 раза.

Развернуть буссоль так, чтобы стрелка компаса установилась перпендику-

лярно шкале доски. Выставить нулевые деления круговой шкалы буссоли

напротив концов стрелки компаса.

Положить магнит на шкалу доски так, чтобы центр масс магнита лежал

на расстоянии

R=60 см от центра стрелки компаса. Измерить угол откло-

нения стрелки

Уменьшая расстояние R между центром масс магнита и компасом каждый

раз на 10 см, провести измерения ϕ

согласно п. 5 еще 5 раз.

Повернуть магнит на 180° (поменять полюса местами). Провести измере-

ния угла отклонения стрелки ϕ

согласно п. 5 и п. 6.

139

Описания лабораторных работ Электромагнетизм

Оформление отчета

1. Расчеты

1. Рассчитать период колебаний магнита по формуле Т=t/N для каждого опы-

та. Найти среднее значение периода.

Рассчитать момент инерции магнита по формуле (7).

Рассчитать средний угол отклонения ϕ

ср.

=(ϕ

)/2.

Рассчитать горизонтальную составляющую индукции магнитного поля

Земли по формуле (11) для каждого расстояния, используя среднее значе-

ние периода.

Рассчитать магнитный момент магнита по формуле (12) для каждого рас-

стояния, используя среднее значение периода.

Найти средние значения В и p

. Абсолютную погрешность рассчитать как

для прямых измерений.

Найти относительную погрешность измерений. Результаты представить в

стандартном виде:

BBB

mmm

ppp

2. Защита работы

(ответы представить в письменном виде)

1. Что называется магнитной индукцией? В каких единицах она измеряется?

Запишите формулу, связывающую индукцию и напряженность магнитного

поля. Используя рассчитанное среднее значение горизонтальной состав-

ляющей индукции магнитного поля Земли, вычислите соответствующее

значение напряженности для нашей широты.

Что называется линиями магнитной индукции? Как определяется их на-

правление?

На какой географической широте горизонтальная составляющая вектора

индукции магнитного поля Земли равна нулю?

140