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: 7 из 8

IV. Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВЗАИМНОЙ ИНДУКЦИИ
1. Цель работы: определение взаимной индукции двух коаксиально расположенных катушек индуктивности.
2. Подготовка к работе: прочитать в учебниках параграфы [1] §§ 25.1–25.3; [2] §§ 122, 123, 128; [3] § 227. Для выполнения работы студент должен знать: а) явление взаимной индукции и закон Фарадея; б) понятие о взаимной индуктивности контуров; в) метод определения коэффициента взаимной индуктивности; г) порядок настройки генератора Г6-46 и осциллографа С1-94; д) методику измерения напряжений с помощью осциллографа.
3. Выполнение работы
3.1. Описание лабораторного стенда
На рис. 4.1 приведена блок-схема лабораторной установки для исследования явления взаимной индукции, состоящая из модуля ФПЭ-05, содержащего катушки индуктивности L₁ и L₂, расположенные на одной оси, звукового генератора PQ типа Г6-46 и электронного осциллографа PO типа С1-94.

Принципиальная электрическая схема установки изображена на рис. 4.2.

Рис 4.1. Блок-схема лабораторной установки для исследования

явления взаимной индукции


Рис 4.2. Принципиальная электрическая схема установки
В положении 1–1′ переключателей П₁ и П₂ напряжение от генератора PQ подаётся на катушку L₁, а электронный осциллограф PO измеряет напряжение накатушке L₂. В положении 2–2′ переключателей П₁ и П₂ напряжение от генератора PQ подаётся на катушку L₂, а электронный осциллограф PO измеряет напряжение накатушке L₁.
3.2. Методика измерений и расчёта
Рассмотрим две катушки индуктивности L₁ и L₂, расположенные близко друг от друга. Если по катушкеL₁ пропустить ток I₁, то он создаёт магнитный поток, часть которого Ф₂₁ пронизывает катушку L₂:

, (4.1)
где – коэффициент взаимной индуктивности катушекL₁ и L₂.

При изменении тока I₁ в катушке L₂ возникает ЭДС индукции, мгновенное значение которой определяется выражением
. (4.2)
Если поменять местами катушки L₁ и L₂, то при изменении тока I₂ в катушке L₁ возникает ЭДС индукции, мгновенное значение которой определяется выражением
, (4.3)

где .

Так как питание катушек осуществляется от генератора звуковой частоты PQ, то мгновенное значение силы тока, протекающего через катушкуL₁, равно
, (4.4)
где R – активное сопротивление катушки; – индуктивное сопротивление катушки; – модуль полного сопротивления катушки; – мгновенное значение напряжения на катушкеL₁; U₀₁– амплитуда напряжения на катушкеL₁; I₀₁– амплитуда силы тока, протекающего через катушкуL₁; – разность фаз между напряжением и силой тока в цепи катушки индуктивности.

Мгновенное значение ЭДС взаимной индукции в катушкеL₂
, (4.5)
где – амплитуда ЭДС взаимной индукции; f – частота звукового генератора PQ.

Вольтметр, расположенный на панели звукового генератора PQ, показывает действующее значение напряжения, поэтому

. (4.6)
Коэффициент взаимной индуктивности определяется по формуле

. (4.7)
3.3. Подготовка к работе генератора Г6-46
3.3.1. Исходное положение органов управления генератора: установить на передней панели генератора.

3.3.2. Выбрать синусоидальный режим, нажав «».

3.3.3. Нажать аттенюатор – 20, выбрать частоту с помощью кнопки диапазона и ручек «ГРУБО», «ПЛАВНО».
3.4. Подготовка к работе осциллографа С1-94
3.4.1. Вставить вилку шнура питания в розетку «220 В» и включить тумблер «сеть» на передней панели. При этом должна загореться сигнальная лампа. Дать осциллографу прогреться 1 2 мин.

3.4.2. Ручкой «ЯРКОСТЬ» установить яркость изображения линии развёртки на экране, удобную для наблюдения. Во избежание прожога люминофора нельзя устанавливать чрезмерную яркость. Ручкой «ФОКУС» установить одинаковую чёткость изображения по всей линии луча.

3.4.3. С помощью специального кабеля подать исследуемый сигнал на гнездо «→1МΩ 40 pF» усилителя У, расположенного на передней панели осциллографа.

3.4.4. Нажать переключатель « » в положение «».

3.4.5. Установить переключатель «V/дел» в положение 0,05 В/дел., чтобы исследуемый сигнал занимал на экране 5 делений.

3.4.6. Установить ручкой «УРОВЕНЬ» устойчивое изображение сигнала на экране. Если с помощью одной только ручки «УРОВЕНЬ» не удаётся получить устойчивое изображение, нужно использовать ручки «УРОВЕНЬ» и «СТАБ». Для этого нужно повернуть ручку «УРОВЕНЬ» влево до упора, затем медленно поворачивать ручку «СТАБ» до начала срыва развёртки. После этого, вращая ручку «УРОВЕНЬ» вправо до появления развёртки, установить уровень на запускающем сигнале, с которого срабатывает схема синхронизации развёртки.

3.4.7. Нажать переключатель: «ms/дел, μs/дел» в положение «ms/дел», чтобы на экране наблюдалось несколько периодов исследуемого сигнала. Установить переключатель «РАЗВЁРТКА» в положение «0,5».

3.4.8. Совместить вращением ручки « » верхний уровень сигнала с одной из горизонтальных линий сетки. Нижний уровень при этом должен находиться в пределах шкалы экрана. Ручкой « » сместить изображение так, чтобы его левый край находился на одной из вертикальных линий сетки. Ручка «УСИЛЕНИЕ» должна при этом находиться в крайнем правом положении.

3.4.9. Измерить в делениях шкалы расстояние по вертикали между крайними точками измеряемого сигнала.

3.4.10. Умножить на величину показателя «V/дел». При этом погрешность определения величины амплитуды напряжения равна .
3.5. Определение коэффициентов М₁₂ и М₂₁

и исследование их зависимости от расстояния

между центрами катушек d
3.5.1. Собрать цепь по схеме, изображённой на рис. 4.1.

3.5.2. Задать напряжение U_Д в диапазоне от 0,5 до 5 В и частоту f сигнала генератора в диапазоне от 1 до 10 кГц (по указанию преподавателя). Поставить переключатели П₁ и П₂ в положение 1–1′.

3.5.3. Установить подвижную катушку L₁ в положение 0 мм по линейке. Перемещая катушку L₁ через каждые 10 мм, записывать значение ЭДС взаимной индукции в цепи катушки L₂.

3.5.4. По формуле (4.7) определить значение М₂₁. Полученные данные занести в табл. 4.1.

3.5.5. Поставить переключатели П₁ и П₂ в положение 2–2′. Повторить все измерения.

3.5.6. По формуле (4.7) определить значение М₁₂. Полученные данные занести в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Результаты измерения коэффициента взаимной индуктивности

при различном взаимном расположении катушек

UД = …В f = …кГц Z = 104 Ом
№ п/п	d	ξ02		М21	ξ01		М12
	мм	дел.	В	Гн	дел.	В	Гн
1
…
10

3.5.7. Построить графики зависимостей М₁₂= f(d) и М₂₁= f(d), где d – расстояние между центрами катушекL₁ и L₂.
3.6. Определение коэффициента М₂₁ при различных

значениях питающего напряжения
3.6.1. Поставить катушку L₁ в среднее положение относительно катушки L₂.

3.6.2. Задать частоту f питающего напряжения в диапазоне от 20 до 30 кГц (по указанию преподавателя).

3.6.3. Измерить амплитуду ЭДС взаимной индукции ξ₀₂ при различных значениях напряжения U_Д в цепи катушки L₁ в диапазоне от 0 до 5 В через 0,5 В.

3.5.5. По формуле (4.7) определить значение М₂₁. Полученные данные занести в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Результаты измерения коэффициента М₂₁

при различных значениях питающего напряжения

f = …кГц Z = 104 Ом
UД	В	0,5									5
ξ02	В
М21	Гн

3.7. Определение коэффициента М₂₁ при различных

частотах питающего напряжения
3.7.1. Поставить катушку L₁ в среднее положение относительно катушки L₂.

3.7.2. Задать амплитуду напряжения генератора по указанию преподавателя в диапазоне от 0,1 до 1 В.

3.7.3. Измерить амплитуду ЭДС взаимной индукции ξ₀₂ при различных частотах звукового генератора от 10 до 100 кГц.

3.7.4. По формуле (4.7) определить значение М₂₁. Полученные данные занести в табл. 4.3.


Таблица 4.3

Результаты измерения коэффициента М₂₁

при различных частотах питающего напряжения

UД = …В Z = 104 Ом
f	кГц	10								100
ξ02	В
М21	Гн

4. Вопросы для самоподготовки
4.1. В чём заключается явление взаимной индукции?

4.2. Что характеризует коэффициент взаимной индукции?

4.3. Как зависит коэффициент взаимной индукции от частоты и величины питающего напряжения?

4.4. Почему равны коэффициенты М₁₂и М₂₁?

4.5. Как изменяется коэффициент взаимной индукции в зависимости от расположения катушек?

4.6. Как влияют магнитные свойства среды на коэффициент взаимной индуктивности?

4.7. В каких единицах измеряется коэффициент взаимной индукции?

4.8. От чего зависит ЭДС, наводимая во втором контуре, индуктивно связанным с первым контуром, в котором протекает периодически изменяющийся ток?

4.9. Как определить экспериментально коэффициент взаимной индукции?

4.10. Как рассчитать коэффициент взаимной индукции двух катушек, намотанных на общий тороидальный сердечник?