Лабораторные работы по курсу «Электродинамика» (стр. 3 )

Дополнительное задание.

Установлено, что металл, входящий в состав электролита, однова­лентен. Один из электродов сделан так же из этого металла. Определите на опыте, что это за металл.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какие проводники называются проводниками первого рода, второго рода? Объясните механизм их электропроводности.

2. Что называется электрохимическим эквивалентом? Каков его физи­ческий смысл?

3. Что называется химическим эквивалентом? Каков его физический смысл?

4. Какова связь между числом Фарадея, химическим и электрохимичес­ким эквивалентами вещества?

5. Можно ли определить электрохимический эквивалент, если через ванну пропускать переменный ток?

6. После проведения опыта обнаружено, что ошибочно изменена поляр­ность электродов. Можно ли в этом случае определить электрохими­ческий эквивалент?

Лабораторная работа № 7

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ОСЦИЛЛОГРАФА.

Цель работы: знакомство с принципом действия осциллографа, исследование основных характеристик осциллографа.

Оборудование: Осциллограф, звуковой генератор, ЛАТР, вольтметр.

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ.

Самостоятельное изучение.

Литература: “Физический практикум” под редакцией Ивероновой.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ.

1. Познакомиться с осциллографом, звуковым генератором, ЛАТРом. Изучить инструкцию, определить назначение всех ручек управления. Соблюдая изложенный в заводском описании осциллографа порядок, включить его, проверить управление лучом.

2. Определить чувствительность трубки по “y” и по “x”. Для этого собрать схему по рис. 1: напряжение с ЛАТРа подается поочередно на пластины “y” и “x” осциллографа, расположенные на задней панели осциллографа.

Напряжение генератора измерить вольтметром и одновременно зафиксировать по масштабной сетке отклонение пятна в мм, затем подсчитать чувствительность:

где L - длина световой полоски (в мм), U - напря­ жение на пластинах, измеренное в вольтах.

Напряжение на пластины не следует подавать более 40-50 В.

Визуальное наблюдение сигналов.

Собрать схему изображенную на рис. 2.

Осциллограф работает в режиме непрерыв­ной развертки. При наблюдении одного периода напряжения генератора убедитесь в его равенстве периоду развертки.

Зарисовать на прозрачной бумаге для различных амплитуд и частот генератора несколько осциллограмм одного из трех периодов напряжения генератора.

Осциллограф частотомер.

Собрать схему по рис. 4. На вход “y” и “x” осциллографа подать напряжения с выходов двух ЗГ. Под влиянием двух переменных взаимно перпендикулярных напряжений пятно будет описывать фигуры Лиссажу, вид которых зависит от формы напряжения, от соотношения между амплитудами, частотами и фазами подводимых напряжений (см. рис. 5).

Фигуры Лиссажу будут неподвижные, если подводимые частоты относятся как целые числа: 1/1, 1/2, 1/3,............2/1, 2/3,.......

При отношении частот 1/1 и сдвиге фаз 0, p/4, p/2, 3p/4, получаем фигуры, изображенные на рис. 5.

При сдвиге фаз равном нулю, но при различных отношениях частот получа­ем фигуры, изображенные на рис. 6

Так как пятно под влиянием Uy и Ux дважды за период пересекает соответственно горизонталь и вертикаль, то отношение частот можно узнать по числу точек пересечения (см. рис. 7). Во избежании ошибок, горизонталь и вертикаль, пересекающие фигуру Лиссажу, не следует проводить через узловые точки фигуры или касательно к ней.

Собрав схему по рис. 4, зафиксировав частоту одного из генераторов и меняя частоту другого, получить и зарисовать на прозрачную бумагу несколько фигур Лиссажу. Определить по ним отношение частот по указанным выше способам.

Следует заметить, что получение неподвижной фигуры Лиссажу - трудоемкое дело, требуется предельно осторожно вращать ручку настройки частоты одного из генераторов, добиваясь синхронизации частот.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Из каких деталей состоит электронно-лучевая трубка?

2. Какие напряжения подаются на электроды электронно-лучевой трубки осциллографа?

3. На каком электроде нужно менять напряжение, чтобы изменять яркость пятна?

4. На каком электроде нужно менять напряжение, чтобы сфокусировать луч?

5. Куда подаются напряжения, позволяющие смещать луч вдоль осей x и y?

6. К каким пластинам в осциллографе подключен генератор развертки?

7. Какой формы напряжение вырабатывает генератор развертки?

8. Из каких деталей состоит генератор развертки и как он работает?

9. За счет чего меняется частота развертки при вращении ручки “диапазон” частот?

10. За счет чего меняется частота развертки при вращении ручки “частота плавно”?

11. Куда в генераторе развертки подается напряжение синхронизации?

12. Какое напряжение используется для синхронизации в положениях ручек “внутренняя”, “внешняя”?

13. К каким клеммам подключается источник внешней синхронизации?

14. Какое должно быть соотношение между частотой сигнала и частотой развертки, для того, чтобы на экране осциллографа была видна неподвижная картина?

15. В каком диапазоне частот вы можете наблюдать сигналы с помощью осциллографа?

16. Какое входное сопротивление имеет осциллограф?

17. На какие клеммы подается исследуемое напряжение в осциллографе?

18. Что нужно сделать, чтобы подать исследуемое напряжение непосредственно на отклоняющие пластины?

19. Какие переключения необходимо произвести, чтобы наблюдать на экране осциллографа разность фаз между двумя напряжениями?

Лабораторная работа № 8

ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ С ПОМОЩЬЮ МОСТИКА УИТСТОНА.

Принадлежности: реохорд, набор сопротивлений, магазин сопротив­лений, гальванометр, источник постоянного тока, мост постоянного тока.

УСЛОВИЕ РАВНОВЕСИЯ МОСТИКА УИТСТОНА.

Мостик Уитстона предназначен для измерения сопротивлений. Он состоит из реохорда AB, чувствительного гальванометра Г и двух сопротивлений - известного R и неизвестного Rx (рис.1). Реохорд представляет собой укрепленную на линейке однородную проволо­ку, вдоль которой мо­жет переме­щаться скользящий контакт Д. Рассмотрим схему без участка ЕД. Замкнем ключ К. Тогда по прово­локе АВ потечет ток и вдоль нее будет наблюдаться равномерное падение потенциала от величины VA (в точке А) до величины VB (в точке В). В цепи АЕВ потечет ток I1 и будет наблю­даться падение потенциала от VA до VE (на сопротивлении Rx) и от VE до VB (на сопротивлении R). Очевидно, в точке Е потенциал имеет промежуточное значение VE между значениями VA и VB. Поэтому на участке АВ можно найти точку Д, потен­циал которой VД равен потенциалу VE в точке Е: VД=VE. Если между точками Е и Д включен гальванометр Г, то в этом случае ток через него не пойдет т. к. VE-VД=0. Такое положение называется равновесием моста. Покажем, что условие равновесия определяется соотношением:

(1)

Действительно, на основании второго закона Кирхгофа для любого замкну­того контура сумма падений напряжений равна сумме электро­движущих сил:

(2)

Запишем эти условия для контуров АЕД и ЕВД при равновесии моста:

(3)

(4)

Откуда получаем условие (1)

Так как сопротивление участков АД и ДВ пропорциональны их длинам l1 и l2, то

Если длина реохорда l, то l2=l-l1 и (5)

Так как сопротивление реохорда сравнительно не велико, то мостик Уитстона описанного типа применяется, как правило, для измерения небольших сопротивлений (от 1 до 1000 Ом).

Найдем, при каком положении движка реохорда погрешность измерения будет минимальной. Относительная погрешность

(6)

Очевидно, относительная погрешность будет минимальной когда знаменатель в выражении (6) будет максимальным.

Найдем условие максимума для функции :

Откуда

Таким образом, погрешность будет минимальной, когда при нулевом токе через гальванометр ползунок Д стоит на середине реохорда (l1=l2). В этом случае выражение (5) принимает вид:

В качестве R включают магазин сопротивлений.

Проводят измерения двух сопротивлений и . Измеряют сопротивления при последовательном и параллельном соединении Rпосл и Rпарал и проверяют формулы:

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ.

1. Мостик Уитстона может быть использован для определения внутреннего сопротивления гальванометра rг , причем гальванометр обычно включается, как показано на рис.2. Как в этом случае обна­ружить отсутствие тока в диагонали ЕД. Выведите условие равновесия и проведите измерения.

2. Измерьте общее сопротивление R и сопротив­ление отдельных участков цепи (рис. 3) и сравните значения с расчетными.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1. Какими преимуществами обладает метод определения сопротивления мостиком Уитстона по сравнению с методом амперметра и вольтметра?

2. Изменится ли условие равновесия моста, если гальванометр и источник тока поменять местами?

3. Почему гальванометр, примененный в мостике Уитстона, имеет двухстороннюю шкалу с нулем по середине?

4. Выведите условие равновесия (5), используя законы Кирхгофа.

5. Выведите формулу погрешности.

Лабораторная работа № 9.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

Приборы и принадлежности: тангенс-гальванометр; амперметр, реостат, источник постоянного тока, переключатель.

ТЕОРИЯ МЕТОДА И ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Магнитное поле Земли представляет собой как бы поле огромного магнита, полюса которого лежат вблизи географических полюсов, вблизи северного географического расположен южный магнитный S, вблизи южного географического полюса – северный магнитный N (рис. 1).

Магнитное поле Земли на экваторе нап­равлено горизонтально (точка В), а у магнитных полюсов – вертикально (точка А). В остальных точках земной поверх­ности магнитное поле Земли направлено под некоторым углом к горизонту (точка К).

Величину проекции напряженности магнит­ного поля Н на горизон­тальную плоскость назы­вают горизонтальной составляющей магнит­ного поля Земли. Направление этой составляющей принимается за направление магнитного меридиана, а вертикальная плоскость, проходящая через него, называется плоскостью магнитного меридиана. Угол a между направлением магнитного поля Земли и горизонтальной плоскостью называется углом наклонения, а угол b между географическим и магнитным меридианом – углом склонения.

Магнитная стрелка, которая может вращаться лишь вокруг вертикальной оси, будет отклоняться в горизонтальной плоскости только под действием горизонтальной составляющей магнитного поля Земли (Нз).

Это свойство магнитной стрелки используется в тангенс-гальванометре для определения Нз. Тангенс-гальванометр представляет собой плоскую вертикальную катушку радиуса R с некоторым числом витков n. Величина радиуса катушки и число витков указаны на тангенс-гальванометре.

В центре катушки в гори­зонтальной плоскости располо­жен компас. Магнитная стрелка компаса при отсутствии тока в катушке будет расположена по магнитному мери­диану Земли NS.

Поворотом катушки вокруг вертикальной оси можно добиться совпадения плоскости катушки с плоскостью магнит­ного меридиана. Если после такой установки катушки по ней пропустить ток, то магнитная стрелка повернется на некото­рый угол a. Объясняется это тем, что на магнитную стрелку будет дейст­вовать два поля: первое – горизон­тальная составляющая напряжен­ности магнитного поля Земли Нз и второе – созданное током – Н1 (рис. 2).

Под действием этих полей магнитная стрелка займет такое положение равновесия, при котором равнодействующая двух полей будет совпадать с линией, соединяющей полюса стрелки. На рис. 2: А и В – сечение витка катушки горизонтальной плоскостью; N1S1 – магнитная стрелка компаса, помещенная в центре катушки; Нз – вектор горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли; Н1 – вектор напряженности магнитного поля, созданного током в катушке (определяется по правилу буравчика).

Обратите внимание на расположение магнитных силовых линий вокруг проводника с током, в точке А ток идет на нас (показан точкой), в точке В ток идет от нас (показан крестиком). Магнитное поле тока (вектор Н1) направлен перпендикулярно плоскости витков.

Из рис. 2 видно, что и, следовательно,

(1)

Величина напряженности поля Н1, созданного током в центре витка, для системы СИ вычисляется по закону Био-Савара-Лапласа для случая кругового тока:

(2)

где I - ток, текущий в витке (в Амперах); r – радиус витка катушки (в метрах).

Напряженность магнитного поля в катушке с числом витков n вычисляется по выражению (2) с учетом числа витков. Подставляя значение Н1 в формулу (1), получим

(3)

Этой формулой и пользуются для опытного определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ.

1.  Собирают электрическую цепь из тангенс-гальванометра G, амперметра A, реостата R, ключа переключателя и источника тока E (рис. 3).

2.  Поворачивая тангенс-гальванометр и компас, устанавливают плос­кость катушки тангенс-гальва­нометра в плоскости магнит­ного меридиана так, чтобы один конец стрелки совпадал с 90o.

3.  Устанавливая движек реостата в некотором положении, вклю­чают постоянный ток и измеряют величину тока по амперметру (движек реостата должен быть установлен так, чтобы ток был около 0,5 А).

4.  Как только стрелка компаса придет в равновесие, отсчиты­вают по круговой шкале компаса угол отклонения стрелки a1.

5.  Не меняя величины тока I, изменяют переключением его направление и измеряют величину отклонения стрелки – угол a2. Берут среднее значение угла a.

6.  Повторяют опыты три раза при различном токе.

7.  Подставляя последовательно измеренные значения tg a и I в формулу (3), находят три значегия.

Все наблюдения и результаты вычислений записывают в таблицу отсчета.

I	a1	a2	a	tg a	H	DH	(DH/H)100%	H = H ± DH

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.

1.  Почему векторы Н1 и Нз взаимно перпендикулярны?

2.  Что называют магнитным склонением? наклонением?

3.  Какими приборами измеряются магнитное склонение и магнитное наклонение?

Литература:

1.  Путилов физики. 1959.

2.  Калашников .

Лабораторная работа № 10.

ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНА ОМА ДЛЯ ЦЕПЕЙ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

Цель работы: измерить индуктивность катушки, емкость конденсатора и проверить закон Ома для цепей переменного тока.

Литература: 1) " Электричество "

2) , " Курс общей физики ".

Приборы и оборудование: катушка индуктивности, два конденсатора, реостат, омметр, амперметр переменного тока, вольтметр переменного напряжения, ключ, ЛАТР.

ВВЕДЕНИЕ.

Если к участку цепи, содержащему только активное сопротивление R, приложено переменное напряжение

(1)

где Um - амплитуда напряжения,w - угловая частота, то на этом участке возникает ток, мгновенное значение которого определяется соотношением:

(2)

где .

В общем случае отношение амплитуды напряжения к амплитуде тока называется полным сопротивлением Z цепи переменного тока

(3)

Соотношение (3) называют законом Ома для цепей переменного тока.

Для участка из последовательно соединенных активного сопротивления R, индуктивности L и емкости C :

(4)

Выражение называют реактивным сопротивлением цепи.

Приборы, которыми пользуются в цепях переменного тока, обычно измеряют действующее значение тока и напряжения, но так как для синусоидального тока

, а ,

то очевидно, между действующими значениями тока и напряжения сохраняется то же соотношение (3), что и между амплитудными.

Тогда (5)

В данной работе соотношение (5) используется для нахождения индуктивности катушки, емкостей конденсаторов и для проверки закона Ома для цепи переменного тока.

ИЗМЕРЕНИЯ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ.

Упражнение 1: Измерение индуктивности катушки.

Предварительно с помощью омметра измерьте активное сопротивление катушки. После этого соберите цепь по схеме рис.1. Где L - катушка индуктивности.

рис.1.

Перед подачей напряжения полностью введите реостат ( сопротивление максимально ).

Измерьте напряжение для данной катушки при трех значениях тока; полученные данные занесите в таблицу 1 и определите индуктивность катушки.

R (Ом)	U (В)	I (А)	Z (Ом)	Zср (Ом)	L (Гн)

таблица 1.

Упражнение 2: Определение емкости каждого из двух конденсаторов и общей емкости этих конденсаторов при их последовательном и параллельном соединении.

Приборы соедините по схеме изображенной на рис.2.

рис.2.

Напряжение на конденсаторе измерьте при трех значениях тока. Результаты измерений занесите в таблицу 2.

U (В)	I (А)	Z c(Ом)	Zс cр (Ом)	C (мкФ)

таблица 2.

Определите среднее значение и рассчитаете емкость конденсатора.

То же проделайте для второго конденсатора, а так же для их последовательного и параллельного соединения.

Упражнение 3: Поверка закона Ома для цепи переменного тока.

Проверка закона Ома сводится к сравнению сопротивления участка цепи, рассчитанного по показаниям амперметра и вольтметра:

с рассчитанным по формуле (4)

где R, L и C - величины, определенные при выполнении первого и второго задания.

Приборы соедините по схеме, представленной на рис.3.

рис.3.

Проведите измерения при трех значениях тока. Результаты занесите в таблицу 3.

R (Ом)	C (мкФ)	L (Гн)	I (А)	U (В)	Z (Ом)	Zизм(Ом)

таблица 3.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ.

1) Чем обусловлено активное сопротивление участка цепи?

2) Можно ли утверждать, что активное и оммическое сопротивления равны друг другу?

3) Какова угловая частота напряжения городской сети?

4) Каков сдвиг фаз между током и напряжением на "чистой" емкости? Нарисуйте зависимость тока и напряжения от времени.

5) Каков сдвиг фаз между током и напряжением на "чистой" индуктивности? Нарисуйте соответствующие временные зависимости.

6) Как вычислить полное сопротивление реальной катушки, обладающей активным сопротивлением и индуктивностью?

7) Если измерять сопротивление катушки омметром, то изменится ли результат от введения в катушку железного сердечника?

8) Выведите формулу для расчета индуктивности в данной работе.

9) От чего зависит индуктивность катушки?

10) Выведите формулу для расчета емкости в данной работе.

11) Как рассчитывают емкости последовательного и параллельного соединения конденсаторов?

12) Напишите закон Ома для цепей переменного тока.