ВИРТЛАБ-1(рус) (4). Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики
 Скачать 0.99 Mb.
|
|
Таблица 1. Результаты измерений Таблица 2. Значения величины тока (не перерисовывать) r (см) = 2 3 .. 10 Бриг ады I 1 I 2 I 3 I 4 1/r, м -1 1 и 5 5 10 15 20 B 1 , Тл 2 и 6 -5 -10 -15 -20 B 2 , Тл 3 и 7 -15 -10 5 10 B 3 , Тл 4 и 8 -20 -15 -10 5 B 4 , Тл Подготовьте таблицу 1, используя образец. Подготовьте также таблицы 3 и 4, аналогичные табл.1, за исключением второй строчки, содержание которой см. в следующем разделе. Получите у преподавателя допуск для выполнения измерений ИЗМЕРЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТ 1 1. Запустите, следующий эксперимент «Магнитное поле прямого тока». Наблюдайте линии индукции МП прямого провода. 2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора тока. Зафиксируйте величину тока, указанную в таблице 2 для вашей бригады. 3. Перемещая мышью «руку» вблизи провода, нажимайте левую кнопку мыши на расстояниях r до оси провода, указанных в таблице 1. Значения r Страница 36 и B занесите в табл.1. Повторите измерения для трех других значений тока из табл.2. ЭКСПЕРИМЕНТ 2 1. Закройте окно эксперимента 1, нажав кнопку в правом верхнем углу внутреннего окна. Запустите, следующий эксперимент «Магнитное поле кругового витка с током». Наблюдайте линии индукции МП кругового витка (контура). 2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора тока. Зафиксируйте величину тока, указанную в таблице 2 для вашей бригады. 3. Перемещая мышью «руку» по оси витка, нажимайте левую кнопку мыши на расстояниях r до оси витка, указанных в таблице 1. Значения r и B занесите в табл.3, аналогичную табл.1 (кроме второй строки, в которой здесь надо записать 1/(R 2 +r 2 ) 3/2 (м -3 )). Повторите измерения для трех других значений тока из табл.2. ЭКСПЕРИМЕНТ 3 1. Закройте окно эксперимента 2, нажав кнопку в правом верхнем углу внутреннего окна. Запустите, следующий эксперимент «Магнитное поле соленоида». Наблюдайте линии индукции МП соленоида. 2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора тока. Зафиксируйте величину тока, указанную в таблице 2 для вашей бригады. 3. Перемещая мышью «руку» по оси соленоида, нажимайте левую кнопку мыши на расстояниях r до оси соленоида, указанных в таблице 1. Значения r и B занесите в табл.4, аналогичную табл.1 (кроме второй строки, в которой здесь не надо записывать ничего). Повторите измерения для трех других значений тока из табл.2. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА 1. Вычислите и запишите в таблицы 1, 3 и 4 значения для второй строки. 2. Постройте на одном листе графики зависимости индукции МП (B) прямого провода с током от обратного расстояния (1/r). 3. Постройте на втором листе графики зависимости индукции МП (B) на оси витка с током от куба обратного расстояния 1/(R 2 +r 2 ) 3/2 4. На третьем листе постройте графики зависимости индукции МП на оси соленоида от расстояния до его центра. 5. По тангенсу угла наклона графиков на первых двух листах определите постоянную, используя формулы ) 1 ( ) ( 2 0 r B I для первого чертежа и ) ) r R ( 1 ( ) B ( I 4 2 / 3 2 2 0 для второго. 6. Вычислите среднее значение магнитной постоянной. Страница 37 7. Для магнитного поля соленоида при каждом токе определите протяженность r области однородности, в которой индукция меняется не более, чем на 10% от максимальной. Вычислите среднее значение области однородности. 8. Запишите ответы и проанализируйте ответ и график. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Что такое магнитное поле МП? 2. Назовите источники МП. 3. Какие силы действуют между движущимися зарядами? 4. Во сколько раз магнитная сила меньше электрической для двух движущихся точечных электрических зарядов? 5. Сформулируйте определение квазинейтральности проводов с током. 6. Какие силы и почему действуют между проводами с током? 7. Дайте определение линии индукции МП. Зачем их рисуют? 8. Запишите закон Био-Савара-Лапласа. В чем он похож на закон Кулона? 9. Сформулируйте принцип суперпозиции для МП. 10. Дайте определение циркуляции МП. 11. Сформулируйте и запишите формулу закона циркуляции МП. 12. Сформулируйте и запишите формулу для МП прямого провода с током. 13. Как выглядят линии индукции МП прямого провода с током? 14. Сформулируйте и запишите формулу для МП на оси кругового витка (контура) с током. 15. Что такое магнитный момент витка с током? 16. Какую форму имеет линия индукции, проходящая через центр витка с током? 17. Что такое соленоид и для чего он используется? 18. Чему равно магнитное поле в центре соленоида? 19. Является ли МП внутри соленоида точно однородным? 20. Как определить протяженность области однородности МП внутри соленоида, если задана точность? Страница 38 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.6 ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев И.В., т.2, §39-47). ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Знакомство с моделированием явления электромагнитной индукции (ЭМИ). Экспериментальное подтверждение закономерностей ЭМИ. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: Магнитный поток Ф через плоский контур площадью S в случае однородного магнитного поля выражается формулой cos BS Ф или S B Ф n , где - угол между векторами нормали n к плоскости контура и вектором индукции B , n B - проекция вектора B на нормаль n ( cos B B n ). В случае неоднородного поля поток Ф вектора индукции выражается интегралом S n dS B Ф , где интегрирование ведется по всей площади S. Электромагнитной индукцией называется явление возникновения электрического поля при изменении магнитного поля. Закон ЭМИ: циркуляция электрического поля по замкнутому контуру пропорциональна скорости изменения магнитного потока Ф через замкнутую поверхность S, ограниченную контуром l l S S d B t l d E , где знак « - » соответствует правилу Ленца. В результате электромагнитной индукции возникают электрическое поле с ненулевой циркуляцией. Такое поле называется вихревым. Если в таком поле находится проводник, то в нем возникает вихревой электрический ток, величина которого пропорциональна напряженности вихревого электрического поля. Такие токи называются токами Фуко. Если проводник имеет форму замкнутого контура, тогда циркуляция электрического поля в нем определяет ЭДС, которая в случае ЭМИ называется ЭДС индукции. В этом случае электродвижущая сила i , возникающая в замкнутом контуре, пропорциональна скорости dt dФ изменения магнитного потока со временем: dt dФ N i , Страница 39 где N – число витков контура. Ток, который в этом случае появляется в контуре, называется индукционным. Используя закон Ома для полной цепи, получим выражение для тока индукции i R i i , где R – сопротивление контура. Разность потенциалов U на концах проводника длиной l, движущегося в однородном магнитном поле со скоростью , выражается формулой sin Bl U , где - угол между направлением вектора скорости и вектора магнитной индукции B Если имеется замкнутый контур с переменным током, тогда магнитное поле с изменяющимся потоком создается собственным током в этом контуре, и в соответствии с законом ЭМИ в контуре возникает дополнительная ЭДС, называемая ЭДС самоиндукции. Явление самоиндукции вызывает возникновение ЭДС самоиндукции при протекании по проводнику переменного тока. ЭДС самоиндукции прямо пропорциональна скорости изменения сила тока dt dI dt dI L S , где L –индуктивность проводника. МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ В данной лабораторной работе используется компьютерная модель, в которой изменяющийся магнитный поток возникает в результате движения проводящей перемычки по параллельным проводникам, замкнутым с одной стороны. Эта система изображена на рисунке: Страница 40 Задача: Проводящая перемычка движется со скоростью по параллельным проводам, замкнутым с одной стороны. Система проводников расположена в однородном магнитном поле, индукция которого равна В и направлена перпендикулярно плоскости, в которой расположены проводники. Найти ток в перемычке, если ее сопротивление R, а сопротивлением проводников можно пренебречь. Решив задачу в черновике, получите уравнение для тока в общем виде. Подготовьте таблицу 1, используя образец. Подготовьте также таблицы 3 и 4, аналогичные табл.1. Таблица 1. результаты измерений (12 столбцов). В = ____ мТл Таблица 2. Значения характеристик (не перерисовывать) (м/c) = -10 -8 10 Бригад ы R (Ом) В 1 (мТл) В 2 (мТл) В 3 (мТл) ЭДС, В 1 и 5 1 -30 40 90 I, мА 2 и 6 2 -40 20 80 3 и 7 1 -50 10 70 4 и 8 2 -60 -20 100 Для бригад 1-4 L = 1 м, для бригад 5-8 L= 0.7 м. ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ! ИЗМЕРЕНИЯ 1. Запустите эксперимент, щелкнув мышью по кнопке «Run». Наблюдайте движение перемычки и изменение магнитного потока Ф (цифры внизу окна) . 2. Зацепив мышью, перемещайте движки регуляторов l –расстояния между проводами, R – сопротивления перемычки, В 1 – величины индукции магнитного поля и зафиксируйте значения, указанные в таблице 2 и под ней для вашей бригады. 3. Установив указанное в табл.1 значение скорости движения перемычки, нажмите левую кнопку мыши, когда ее курсор размещен над кнопкой «Start». Значения ЭДС и тока индукции занесите в табл.1. Повторите измерения для других значений скорости из табл.1. 4. Повторите измерения для двух других значений индукции магнитного поля, выбирая их из табл.2. Полученные результаты запишите в табл.3 и 4. Страница 41 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА 1. Постройте на одном листе графики зависимости тока индукции от скорости движения перемычки при трех значениях индукции магнитного поля. 2. Для каждой прямой определите тангенс угла наклона по формуле tg() = i 3. Вычислите теоретическое значение тангенса для каждой прямой по формуле tg() ТЕОР = R Bl 4. Заполните таблицу результатов измерений Номер измерения tg() ЭКСП (Ac/м) tg() ТЕОР (Ac/м) 5. Сделайте выводы по графикам и результатам измерений. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Что называется элементарным магнитным потоком? 2. Что называется магнитным потоком? 3. При каких условиях магнитный поток равен нулю? 4. При каких условиях магнитный поток равен произведению индукции магнитного поля на площадь контура? 5. Сформулируйте определение явления электромагнитной индукции. 6. Сформулируйте закон электромагнитной индукции. 7. Дайте определение циркуляции магнитного поля. 8. Запишите закон ЭМИ в расшифрованном виде. 9. Какое поле является вихревым? 10. Что такое ток Фуко? 11. Чем отличается электрическое поле, созданное точечным зарядом, от электрического поля, появляющегося при ЭМИ? 12. Сформулируйте закон ЭМИ для замкнутого проводящего контура. 13. При каких условиях возникает ЭДС самоиндукции? 14. Сформулируйте определение явления самоиндукции. 15. Сформулируйте словами закон самоиндукции. 16. Назовите все способы создания переменного магнитного потока. 17. Как изменяется со временем магнитный поток в данной работе? 18. Как выглядит поверхность, через которую формируется переменный магнитный поток в данной работе? 19. Какова зависимость магнитного потока от времени в данной работе? 20. Как направлен вектор магнитной индукции в данной работе? Страница 42 ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.7. ЯВЛЕНИЕ РЕЗОНАНСА В ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев И.В., т.2, §91, §92 ). ЦЕЛЬ: Изучение установившихся вынужденных колебаний в цепях переменного тока. Исследование явления резонанса. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ: Рассмотрим электрическую схему на рис.1., в которой последовательно соединенные конденсатор, резистор и катушка индуктивности подключены к генератору переменного напряжения. В этой цепи возникают вынужденные колебания силы тока и напряжения на отдельных её элементах. Амплитуда колебаний силы тока в цепи будет зависеть от частоты приложенного постоянного напряжения генератора, так как сопротивления реактивных элементов – конденсатора и катушки индуктивности зависят от частоты. При низкой частоте переменного тока емкостное сопротивление конденсатора C X C 1 будет очень большим, поэтому сила тока в цепи будет мала. В обратном предельном случае большой частоты переменного тока большим будет индуктивное сопротивление катушки L X L , и сила тока в цепи опять будет мала. Полное сопротивление Z цепи, изображенной на рис.1., определяется формулой: Ясно, что максимальная сила тока в цепи будет соответствовать такой частоте 0 приложенного переменного напряжения, при которой индуктивное и ёмкостное сопротивления будут одинаковы: C L 0 0 1 (1) При равенстве реактивных сопротивлений катушки и конденсатора, амплитуды напряжений на этих элементах также будут одинаковыми L C U U Колебания напряжения на катушке и конденсаторе противоположны по фазе, поэтому их сумма при выполнении условия (1) будет равна нулю. В результате напряжение U R на активном сопротивлении R будет равно полному напряжению генератора U, а сила тока в цепи достигает максимального значения R U I m . Циклическая частота колебаний силы тока и ЭДС при этом равна Страница 43 LC 1 0 2) и совпадает с циклической частотой свободных незатухающих электромагнитных колебаний в электрическом контуре. Явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре при приближении циклической частоты внешней переменной ЭДС к частоте 0 свободных незатухающих колебаний в контуре называется резонансом в электрической цепи переменного тока. Частота = 0 называется резонансной циклической частотой. Резонансная циклическая частота не зависит от активного сопротивления R. График зависимости I m от называется резонансной кривой.Резонансные кривые имеют тем более острый максимум, чем меньше активное сопротивление R: ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Соберите на монтажном столе схему, показанную на рис. 1., предварительно выбрав значения параметров элементов следующими: Генератор: Uэф = 100 В; = 10 Гц; Резистор: R = 200 Ом; Р = 500 Вт; Конденсатор: С = 10 мкФ; Uраб = 400 В; Катушка: L = 1 Гн. 2. Изменяя частоту генератора от 10 Гц до 100 Гц через 10 Гц, с помощью вольтметров измерьте напряжения на катушке, конденсаторе, резисторе и занесите измеренные значения в таблицу. В наборе конструктора имеется лишь два мультиметра, поэтому придется , изменяя частоту генератора, провести измерения дважды – сначала подключив вольтметры к катушке и конденсатору, а второй раз – подключив вольтметр к резистору. 3. Постройте графики зависимости напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке в зависимости от частоты генератора. 4. Рассчитайте по формуле (2) частоту резонанса и сравните полученное значение с экспериментальным. 5. Измените параметры элементов и повторите измерения и расчеты. 6. Попытайтесь объяснить экспериментальные графики зависимости напряжений на элементах от частоты переменного тока в цепи. ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Как зависят реактивные сопротивления конденсатора и катушки индуктивности от частоты переменного тока? Страница 44 2. Почему сила тока в последовательной цепи с конденсатором, катушкой и резистором имеет максимум при определенной частоте и стремится к нулю при очень малой и очень большой частоте. 3. Почему при резонансе напряжение на резисторе равно напряжению источника переменного тока? 4. При каком условии наступает резонанс в последовательной цепи переменного тока? 5. Как используется явление резонанса в быту, технике, науке? ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.8 ДИФРАКЦИЯ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ Ознакомьтесь с теорией в конспекте, учебнике (Савельев И.В., т.2, §119,125-127,129,130) ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Знакомство с моделированием процесса сложения когерентных электромагнитных волн. Экспериментальное исследование закономерностей взаимодействия световых волн от двух источников (щелей). |