Файл: Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики.pdf

Страница 31 4. Сформулируйте закон Ома для полной цепи .
5. Чем обусловлено внутреннее сопротивление источника тока?
6. Чему равно полное сопротивление замкнутой цепи?
7. Чем определяется сила тока короткого замыкания батарейки?

Страница 32
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.5.
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев И.В., т.2,
§39-47).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
 Знакомство с моделированием магнитного поля от различных источников.
 Экспериментальное подтверждение закономерностей для магнитного поля прямого провода и кругового витка (контура) с током.
 Экспериментальное определение величины магнитной постоянной.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Магнитным полем (МП) называется область пространства, в которой на электрически нейтральный проводник с током действует сила, называемая магнитной. Источником МП является движущаяся электрически заряженная частица (заряд), которая создает также и электрическое поле.
Если вблизи одной движущейся заряженной частицы (заряд №1) будет находиться вторая движущаяся с такой же скоростью V заряженная частица
(заряд №2), то на второй заряд будут действовать 2 силы: электрическая
(кулоновская)
ЭЛ
F

и магнитная сила
М
F

, которая будет меньше электрической в
2
c
V






раз, где с – скорость света.
Для практически любых проводов с током выполняется принцип
квазинейтральности: несмотря на наличие и движение заряженных частиц внутри проводника, любой (не слишком малый) его отрезок имеет нулевой суммарный электрический заряд. Поэтому между обычными проводами с током наблюдается только магнитное взаимодействие.
Магнитная индукция - характеристика силового действия МП на проводник с током, векторная величина, обозначаемая символом
B

Линии магнитной индукции - линии, в любой точке которых вектор индукции МП направлен по касательной.
Анализ взаимодействия движущихся зарядов с учетом эффектов теории относительности (релятивизма) дает выражение для индукции
B
d

МП, создаваемого элементарным отрезком
l
d

c током I , расположенным в начале координат (закон Био-Савара-Лапласа или Б-С-Л):


r
r
l
d
r
I
B
d



,
4 2
0



, где r

- радиус-вектор точки наблюдения, 
0
- магнитная постоянная.
МП подчиняется принципу суперпозиции: индукция МП нескольких источников является суммой индукций полей, создаваемых независимо каждым источником


i i
СУМ
B
B



Страница 33
Циркуляцией МП называется интеграл по замкнутому контуру от скалярного произведения индукции МП на элемент контура:


L
B
l
d
B
Г


Закон циркуляции мп: циркуляция МП по замкнутому контуру L
0 пропорциональна суммарному току, пронизывающему поверхность S(L
0
), ограниченную этим контуром L
0




j
j
L
B
I
l
d
B
Г
0 0
0



Закон Б-С-Л и принцип суперпозиции МП позволяют получить многие другие закономерности, в частности, индукцию магнитного поля прямого бесконечно длинного проводника с током: r
2
I
B
0



Линии магнитной индукции поля прямого проводника с током представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных проводнику, с центрами, расположенными на его оси.
Индукция МП на оси кругового контура (витка) радиуса R с током I на расстоянии r от центра:
2 3
2 2
m
0
r
R
p
4
B
/
)
(






, где n
m e
IS
p



- магнитный момент витка площадью S, n
e

- единичный вектор нормали к поверхности витка.
Соленоидом называется длинная прямая катушка с током. Величина индукции МП вблизи центра соленоида меняется очень мало. Такое поле можно считать практически однородным.
Из закона циркуляции МП можно получить формулу для индукции МП в центре соленоида
B = 
0
In , где n – число витков, приходящихся на единицу длины соленоида.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Рассмотрите внимательно рисунок, изображающий компьютерную модель. Найдите на нем все основные регуляторы и поле эксперимента.
Зарисуйте необходимое в конспект.
МОДЕЛЬ 1. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ПРЯМОГО ТОКА
Модель демонстрирует линии индукции магнитного поля прямого проводника при различных значениях силы тока. Индукция магнитного поля может быть измерена в любой точке экрана. За положительное направление вектора выбрано направление против часовой стрелки. Можно убедиться, что индукция магнитного поля прямого тока изменяется обратно пропорционально расстоянию до проводника.
Структура магнитного поля может быть продемонстрирована в качественном эксперименте с железными опилками.

Страница 34
МОДЕЛЬ 2. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КРУГОВОГО
ВИТКА С ТОКОМ
Магнитное поле кругового тока имеет сложную структуру.
Сравнительно просто оно рассчитывается с помощью закона Био–Савара-
Лапласа только для точек, лежащих на оси витка. Компьютерная модель иллюстрирует структуру магнитного поля кругового тока и позволяет количественно измерять магнитное поле на оси. Качественная структура может быть показана в демонстрационном эксперименте с железными опилками.
МОДЕЛЬ 3. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛЕНОИДА
Соленоидом называют длинную прямолинейную катушку, плотно намотанную виток к витку. Магнитное поле внутри соленоида однородно.
Однородность поля нарушается только вблизи концов катушки.
Компьютерная модель демонстрирует структуру магнитного поля соленоида и позволяет производить измерения индукции магнитного поля в различных точках на оси катушки. Для качественной демонстрации

Страница 35 структуры магнитного поля соленоида можно использовать опыт с железными опилками.

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



,