лабораторные работы по физике 11 класс. Методические указания для подготовки к выполнению лабораторных работ по курсу физики для студентов

• Название: Методические указания для подготовки к выполнению лабораторных работ по курсу физики для студентов
• Анкор: лабораторные работы по физике 11 класс
• Дата: 20.06.2022
• Размер: 6.72 Mb.
• Имя файла: K-315_1-2011.doc
• Тип: Методические указания; #606367
• страница: 6 из 8

III. Лабораторная работа № 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНДУКТИВНОСТИ СОЛЕНОИДА

БАЛЛИСТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
1. Цель работы: освоить баллистический метод определения индуктивности соленоида.
2. Подготовка к работе: прочитать в учебниках параграфы [2] §§ 122, 123, 126; [3] §§ 221–226. Для выполнения работы студент должен знать: а) закон электромагнитной индукции и правило Ленца; б) понятие о магнитном потоке и индуктивности контура; в) метод определения баллистической постоянной; г) методику определения индуктивности соленоида баллистическим методом.


3. Выполнение работы
3.1. Описание лабораторного стенда

На рис. 3.1 приведена электрическая схема лабораторной установки, состоящая из источника тока ε, ключа К, потенциометра R, измерительной катушки L, соленоида S, амперметра А и баллистического гальванометра G.



Рис 3.1. Принципиальная электрическая схема

лабораторной установки
Электрическая схема состоит из двух магнитосвязанных цепей. Первая цепь служит для питания соленоида S от источника тока ε. Вторая цепь состоит из измерительной катушки L и баллистического гальванометра G. Измерительная катушка L содержит N витков медной проволоки, намотанной в центре соленоида S вплотную на витки соленоида. Используемый соленоид выполнен в виде многослойной катушки (3–4 слоя). Баллистический гальванометр G отличается от обычного лишь увеличенным моментом инерции и служит для измерения малых количеств электричества.
3.2. Методика измерений и расчёта
Теория баллистического гальванометра показывает, что первый (максимальный) баллистический отброс пропорционален количеству электричества q, протекающего через него:
, (3.1)

где – баллистическая постоянная гальванометра, численно равная, количеству электричества, вызывающего смещение указателя гальванометра на одно деление.

Магнитный поток Ф, пронизывающий виток с током, пропорционален силе тока I:

, (3.2)

где L – индуктивность контура.

При замыкании (или размыкании) тока в цепи соленоида в измерительной катушке возникает ЭДС индукции
, (3.3)
где – мгновенное значение ЭДС индукции; – потокосцепление измерительной катушки.

Согласно закону Ома сила тока в цепи гальванометра
, (3.4)
где – мгновенное значение силы тока; и – соответственно сопротивления измерительной катушки и гальванометра.

Количество электричества, протекающего через гальванометр при замыкании (или размыкании) цепи:
. (3.5)
Из формулы (3.5) выразим магнитный поток
. (3.6)
Индуктивность соленоида

, (3.7)

где I – действующее значение силы тока в цепи соленоида, измеряемое амперметром; и – соответственно число витков измерительной катушки и соленоида.

Индуктивность соленоида в общем случае определяется по формуле

, (3.8)
где – магнитная постоянная, равная 4π ∙ 10^–7 Гн/м; – относительная магнитная проницаемость железного сердечника; n – число витков соленоида на единицу длины; l – длина соленоида; S – площадь витка соленоида.

Баллистическая постоянная определяется методом разряда конденсатора, заряженного до разности потенциалов U, через баллистический гальванометр.

На рис 3.2 приведена электрическая схема для определения баллистической постоянной, состоящая из источника тока ε, ключа К, потенциометра R, вольтметра V, конденсатора С, переключателя П и баллистического гальванометра G.

При повороте переключателя П влево производится зарядка конденсатора С до некоторой разности потенциалов U, величина которой регулируется потенциометром R. При повороте переключателя П вправо производится разрядка конденсатора С через баллистический гальванометр G. Количество электричества, прошедшее через гальванометр при разрядке конденсатора, равно  .

Максимальный баллистический отброс
. (3.9)

Из формулы (3.9) выражаем баллистическую постоянную
. (3.10)


Рис 3.2. Принципиальная электрическая схема для

определения баллистической постоянной
3.3. Определение баллистической постоянной
3.3.1. Собрать цепь по схеме, изображённой на рис. 3.2.

3.3.2. Включить осветитель гальванометра и получить резкое изображение светового указателя по шкале. Установить изображение нити светового указателя на нулевое деление шкалы.

3.3.3. Замкнуть ключ К. Движком потенциометра R установить разность потенциалов U, измеряемую вольтметром V, согласно табл. 3.1.

3.3.4. Повернув переключатель П влево, произвести зарядку конденсатора С до разности потенциалов U.

3.3.5. Повернув переключатель П вправо, произвести разрядку конденсатора С через баллистический гальванометр G. Записать баллистический отброс . Опыт повторить 5 раз. Результаты измерений занести в табл. 3.1.

3.3.6. Вычислить по формуле (3.10) баллистическую постоянную гальванометра.

Таблица 3.1

Определение баллистической постоянной гальванометра

№ п/п	С	U
	мкФ	В	дел	Кл/дел	Кл/дел	Кл/дел
1		0,5
…		…
5		2,5

3.3.7. Рассчитать среднее значение баллистической постоянной и абсолютную погрешность . Ответ записать в виде .
3.4. Определение индуктивности соленоида
3.4.1. Занести в табл. 3.2 технические характеристики соленоида, измерительной катушки и баллистического гальванометра.

3.4.2. Рассчитать по формуле (3.8) теоретическое значение индуктивности соленоида L_S.теор. без сердечника (μ = 1).

3.4.3. Собрать цепь по схеме, изображённой на рис. 3.1.

3.4.4. Замкнуть ключ К. Движком потенциометра R установить ток в цепи соленоида I, измеряемый амперметром А, согласно табл. 3.3.

3.4.5. Разомкнуть ключ К. Записать баллистический отброс. Опыт повторить 5 раз. Результаты занести в табл. 3.3.

3.4.6. Рассчитать индуктивность соленоида без сердечника по формуле (3.7).

3.4.7. Рассчитать среднее значение индуктивности соленоида без сердечника <L_S>.

3.4.8. Поместить внутрь соленоида сердечник. Повторить все измерения. Результаты занести в табл. 3.3.

3.4.9. Рассчитать по формуле (3.7) индуктивность соленоида с сердечником.

3.4.10. Рассчитать среднее значение индуктивности соленоида с сердечником <L_S>.

3.4.11. По формуле (3.2) определить магнитный поток соленоида без сердечника и с сердечником при каждом значении то-ка I.

3.4.12. Построить графики зависимостей Ф = f(I) для соленоида без сердечника и с сердечником. Сделать вывод.
Таблица 3.2

Технические характеристики лабораторной установки

μ0	n	l	S	RL	RG	NL	NS	Imax	LS.теор.
Гн/м	м – 1	м	м2	Ом	Ом			А	Гн

Таблица 3.3

Определение индуктивности соленоида

№ п/п	без сердечника					с сердечником
	I		LS	S>	Ф	I		LS	S>	Ф
	мА	дел	Гн	Гн	Вб	мА	дел	Гн	Гн	Вб
1	10					10
…	…					…
5	50					50

4. Вопросы для самоподготовки
4.1. Что называется магнитным потоком, потокосцеплением и индуктивностью контура?

4.2. Как рассчитывается индукция магнитного поля внутри соленоида без сердечника?

4.3. Почему магнитное поле внутри соленоида является однородным, а вне соленоида – неоднородным и очень слабым?

4.4. От чего зависит индуктивность соленоида?

4.5. При каких условиях возникает в катушке ЭДС самоиндукции?

4.6. Как применить правило Ленца для определения направления индукционного тока?

4.7. Как определить индуктивность соленоида баллистическим методом?

4.8. Как определить баллистическую постоянную?

4.9. На чём основан принцип действия баллистического гальванометра?

4.10. Почему индуктивность соленоида с сердечником больше, чем без сердечника?