Файл: Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 233
Скачиваний: 3
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
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).
1 2 3 4 5 6 7
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Между дифракцией и интерференцией нет существенных физических различий. Оба явления заключаются в перераспределении в пространстве энергии светового потока, возникающем в результате суперпозиции волн.
Когерентностью называется согласованное протекание нескольких колебательных или волновых процессов.
Когерентными называются волны, для которых разность фаз возбуждаемых ими колебаний остается постоянной во времени.
Когерентными являются гармонические волны с кратными частотами.
Интерференцией называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых конечным количеством дискретных когерентных источников волн.
Дифракцией называется устойчивое перераспределение интенсивности, возникающее в результате суперпозиции волн, возбуждаемых расположенными непрерывно когерентными источниками волн. Одним из проявлений дифракции является распространение волны в область геометрической тени, т.е. туда, куда не попадают световые лучи.
Принцип Гюйгенса: каждый элемент волновой поверхности является источником вторичной сферической волны, а волна в любой точке перед этой поверхностью (с другой стороны от поверхности, нежели реальный источник волны) может быть найдена как результат суперпозиции волн, излучаемых указанными вторичными источниками.
Зонами Френеля называются такие участки на поверхности волнового фронта, для которых излучение от двух соседних участков при сложении дает практически нулевой (минимальный) результат (излучение от двух соседних зон Френеля компенсируется). Расстояния от краев каждой зоны до точки наблюдения отличаются на /2.
Величина напряженности электрического поля dE электромагнитной волны (ЭМВ), излучаемой элементарным участком площадью d волновой поверхности в точке наблюдения, расположенной на расстоянии r от этого участка, равна
)
cos(
0 0
kr
t
r
d
a
K
dE
,
Страница 46 где множитель
0
a
определяется амплитудой светового колебания в том месте, где расположена площадка d, коэффициент К зависит от угла между нормалью к площадке d и направлением на точку наблюдения, k = 2/ - волновое число.
Аналогичная формула будет справедлива для любого точечного источника гармонической волны.
Для двух точечных источников (см. рисунок), расположенных на расстоянии d друг от друга на линии, параллельной экрану, отстоящему от линии источников (1 и 2) на расстоянии L, максимум при интерференции волн на экране наблюдается при условии, что разность хода r волн, приходящих в данную точку, кратна длине волны: r = m (m=0,1,2,...).
Формула связи d sin() = m для первого максимума и при большом расстоянии до экрана L>>d, когда
L
X
tg
MAX
)
(
)
sin(
, преобразуется так:
L
d
X
MAX
, откуда
d
L
1
X
MAX
Зарисуйте необходимое с экрана в свой конспект лабораторной работы.
ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ
ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ!