Файл: Методические указания для студентов двухсеместрового курса физики, очной и заочной формы обучения.pdf

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования
«Воронежский государственный технический университет»
Кафедра физики
СБОРНИК
ЗАДАНИЙ
ДЛЯ
ЗАЧЕТА
ПО
ЛАБОРАТОРНЫМ
РАБОТАМ
ПО
ФИЗИКЕ:
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ,
ВОЛНОВАЯ
ОПТИКА,
КВАНТОВАЯ
И
ЯДЕРНАЯ
ФИЗИКА
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ для студентов двухсеместрового курса физики, очной и заочной формы обучения
Воронеж 2023

2
УДК 53(07)
ББК 22.3я7
Составители: канд.физ.-мат.наук Т. И. Касаткина, канд.пед.наук Т. В. Дубовицкая, канд.физ.-мат.наук Т. Л. Тураева, канд.физ.-мат.наук Е. П. Татьянина,
Сборник заданий для зачета по лабораторным работам по физике: электромагнетизм, волновая оптика, квантовая и ядерная физика для студентов двухсеместрового курса физики очной и заочной форм обучения / ФГБОУ ВО
«Воронежский государственный технический университет»; сост.: Т. И.
Касаткина, Т. В. Дубовицкая, Т. Л. Тураева, Е. П. Татьянина. Воронеж: Изд-во
ВГТУ, 2023. 38 с.
В методических указаниях изложен перечень необходимого теоретического минимума и варианты контрольных заданий по дисциплине
«Физика» для сдачи зачета по лабораторным работам по тематике электромагнетизм, волновая оптика, квантовая и ядерная физика.
Издание предназначено для студентов очной и заочной форм обучения.
Методические указания подготовлены в электронном виде и содержатся в файле .pdf.
Ил. 52. Библиогр.: 4 назв.
УДК 53(07)
ББК 22.3я7
Рецензент – А. Г. Москаленко, канд. физ.-мат наук, доц. кафедры физики ВГТУ
Издаётся по решению редакционно-издательского совета
Воронежского государственного технического университета

3
Лабораторные работы
№ 5.1. Определение горизонтальной составляющей магнитного поля земли и магнитного поля плоской катушки
№ 5.2. Измерение вращающего момента рамки с током в постоянном магнитном поле
№ 5.3. Экспериментальная проверка закона Био-Савара-Лапласа для кругового контура с током
№ 5.4. Определение горизонтальной и вертикальной составляющей магнитного поля Земли
Вопросы и задания для получения допуска к выполнению лабораторных работ №5.1; №5.3 1. Источники магнитного поля.
2. Рисунок магнитного поля Земли. Величина магнитного поля Земли и возможные причины его возникновения. Горизонтальная и вертикальная составляющая магнитного поля Земли.
3. Как в лабораторной работе определяется магнитное поле Земли.
4. Характеристики магнитного поля с единицами их измерения: напряженность магнитного поля; вектор магнитной индукции; магнитный момент.
5. Магнитный полюс Земли.
6. Магнитный меридиан.
7. Закон Био-Савара-Лапласа. Физические величины, входящие в закон , их единицы измерения и расчетные формулы для определения каждой величины.
8. Формулы для определения магнитной индукции для кругового витка и магнитной индукции по оси, удаленной от центра.
9. Расчетные формулы, использующиеся при проведении вычислений в лабораторной работе, величины в них входящие, их размерность.
10. Схема установки. Ход работы.
Вопросы и задания для получения допуска к выполнению лабораторных работ №5.2; №5.4 1. Источники магнитного поля.
2. Характеристики магнитного поля с единицами их измерения: напряженность магнитного поля; вектор магнитной индукции; магнитный момент.
3. Магнитное поле прямого тока. Магнитное поле кругового тока.
4. Силовые линии магнитного поля.
5. Ориентация линий магнитной индукции для прямого и кругового тока.
6. Магнитный момент контура с током.

7. Катушки Гельмгольца: устройство, предназначение, принцип работы.
8. Рисунок момента сил, действующих на рамку с контуром.
9. Магнитное поле земл возникновения.
10. Расчетные формулы, использующиеся при проведении вычислений в лабораторной работе, величины в них входящие, их размерность.
11. Схема установки. Ход работы.
Теоретический минимум
1. Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Поле движущегося заряда.
2. Закон Био-Савара кругового токов.
3. Теорема Гаусса и теорема о циркуляции вектора магнитной
Применение теоремы о циркуляции для расчета
4. Сила Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Контур магнитном поле.
5. Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном
Контрольные задания для отчета лабораторных работ
1. Закон Био-Савара-Лапласа.
2. Контур с током, имеющий магнитный момент находится во внешнем магнитном поле с индукцией соответствует состояние:
3. Три бесконечно длинных параллельных проводника
(см. рисунок) с токами расположены на равных расстояниях один от другого. I
1
= 1 А, I
сил, действующих на проводники с токами I
1)
,
 
;
2)
,
 
;
4. В магнитном поле параллельных прямолинейных
4
Катушки Гельмгольца: устройство, предназначение, принцип работы.
Рисунок момента сил, действующих на рамку с контуром.
Магнитное поле земли. Величина и возможные причины его
Расчетные формулы, использующиеся при проведении вычислений в лабораторной работе, величины в них входящие, их размерность.
Схема установки. Ход работы.
Теоретический минимум для отчета лабораторных работ
№5.3, №5.4
Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Поле движущегося
Савара-Лапласа. Принцип суперпозиции. Поле
Теорема Гаусса и теорема о циркуляции вектора магнитной
Применение теоремы о циркуляции для расчета поля соленоида
Сила Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Контур
Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном для отчета лабораторных работ №5.1, №5.2; №5.3,
№5.4
Вариант 1
Лапласа.
Контур с током, имеющий магнитный момент находится во внешнем магнитном поле с индукцией В⃗. Устойчивому положению равновесия
Три бесконечно длинных параллельных проводника с токами расположены на равных расстояниях
А, I
2
=2 А, I
3
= 3 А. Указать направления сил, действующих на проводники с токами I
1
и I
2
:
3)
,
 
;
4)
,
 
В магнитном поле двух бесконечно длинных прямолинейных проводников с одинаковыми
Катушки Гельмгольца: устройство, предназначение, принцип работы.
Рисунок момента сил, действующих на рамку с контуром. и. Величина и возможные причины его
Расчетные формулы, использующиеся при проведении вычислений в лабораторной работе, величины в них входящие, их размерность. для отчета лабораторных работ №5.1, №5.2;
Магнитное поле. Индукция магнитного поля. Поле движущегося
Лапласа. Принцип суперпозиции. Поле прямого и
Теорема Гаусса и теорема о циркуляции вектора магнитной индукции. соленоида и тороида.
Сила Ампера. Взаимодействие параллельных токов. Контур с током в
Сила Лоренца. Движение заряженных частиц в магнитном поле.
№5.1, №5.2; №5.3,
Контур с током, имеющий магнитный момент находится во внешнем
. Устойчивому положению равновесия
Три бесконечно длинных параллельных проводника с токами расположены на равных расстояниях направления длинных одинаковыми

токами пролетает электрон.

электрон в точке А?
5. Определить магнитную рисунок).
6. Частица, несущая один элементарный заряд, влетела в однородное магнитное поле с индукцией импульса, которым обладала частица при движении в магнитном поле, если ее траектория представляла дугу окружности радиусом R = 0,2 7. Найти циркуляцию вектора по заданному замкнутому контуру
1. Теорема о циркуляции
2. Два прямолинейных бесконечно длинных проводника с токами расположены взаимно перпендикулярно в одной плоскости. Точки, в которых магнитная индукция равна нулю, располагаются в квадрантах:
1) I, II 2) III, IV
3) I, III 4) II, IV
3. Вектор силы, действующей на движущийся электрон вблизи бесконечного прямого провода с током, направлен
1) ↓
2) ↑
4. Прямолинейный проводник длиной 1 м расположен в индукцией 0,05 Тл так, что составляет с вектором магнитной индукции угол
30
о
. Какой ток нужно пропустить через поля подействовала сила 0,5 5. Выразить магнитную индукцию в
I и радиус R (см. рисунок).
6. Протон влетает в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям двигаться по окружности.
раза, то частота вращения
1) увеличится в 2 раза;
3) не изменится;
7. Найти циркуляцию вектора l
B dl


по заданному замкнутому контуру
1. Применение закона бесконечно длинным прямолинейным проводником.
5 электрон. Куда направлена магнитная сила,
магнитную индукцию в точке О (см.
Частица, несущая один элементарный заряд, влетела в однородное магнитное поле с индукцией В = 0,5 Тл. Определите момент обладала частица при движении в магнитном поле, если ее траектория представляла дугу
= 0,2 см. циркуляцию вектора магнитной индукции l
B dl


аданному замкнутому контуру L.
Вариант 2 циркуляции вектора магнитной индукции.
Два прямолинейных бесконечно длинных проводника с токами расположены взаимно перпендикулярно в одной плоскости. Точки, в которых магнитная индукция равна нулю, располагаются в квадрантах:
IV
IV
Вектор силы, действующей на движущийся электрон вблизи бесконечного прямого провода с током, направлен
3) →
4) ←
. Прямолинейный проводник длиной 1 м расположен в так, что составляет с вектором магнитной индукции угол

. Какой ток нужно пропустить через проводник, чтобы на него со стороны поля подействовала сила 0,5 Н?
Выразить магнитную индукцию в точке О через силу тока
(см. рисунок).
Протон влетает в однородное магнитное поле линиям магнитной индукции и начинает окружности. Если величину магнитного поля протона
2) увеличится в√2 раз;
4) уменьшится в 2 раза циркуляцию вектора магнитной индукции по заданному замкнутому контуру L (см. рисунок).
Вариант 3 закона Био-Савара-Лапласа для расчета прямолинейным проводником. сила, действующая на
О (см.
Частица, несущая один элементарный заряд, влетела в
Тл. Определите момент обладала частица при движении в магнитном поле, если ее траектория представляла дугу l
B dl


Два прямолинейных бесконечно длинных проводника с токами расположены взаимно перпендикулярно в одной плоскости. Точки, в которых магнитная индукция равна
Вектор силы, действующей на движущийся электрон магнитном поле с так, что составляет с вектором магнитной индукции угол проводник, чтобы на него со стороны тока
Протон влетает в однородное магнитное поле начинает поля уменьшить в 2 расчета поля, созданного

6 2.
Заряд q>0 движется со скоростью ????.⃗ Сравнить модули магнитной индукции В⃗ в точках 1 и 2 (r
1
= r
2
):
1) одинаковы 2) В
1
> В
2 3) В
1
< В
2 4) однозначно ответить нельзя.
3. Электрон, влетевший в область однородного магнитного поля, движется по дуге окружности (см. рисунок). Как направлен вектор индукции магнитного поля?
4. Линии напряженности однородного электрического поля и линии индукции однородного магнитного поля взаимно перпендикулярны. Напряженность электрического поля равна 1 кВ/м, индукция магнитного поля равна 1 мТл. Определить модуль скорости электрона, движущегося в этих полях прямолинейно и равномерно.
5. Бесконечно длинный проводник с током I имеет плоскую петлю радиусом R. Найти индукцию поля в точке О
(см. рисунок).
6. Частица массы т и заряда q движется по окружности радиуса R в однородном магнитном поле с индукцией В в плоскости, перпендикулярной линиям индукции. Найти кинетическую энергию частицы.
7. Найдите циркуляцию вектора магнитной индукции l
B dl


по заданному замкнутому контуру L (см. рисунок).
Вариант 4 1. Применение закона Био-Савара-Лапласа для расчета поля кругового тока.
2. Заряд q>0 движется со скоростью ????.⃗ Сравнить модули магнитной индукции
B

в точках 1 и 2 (см. рисунок):
1) одинаковы 2) В
1
> В
2 3) В
1
< В
2 4) однозначно ответить нельзя
3. Проводники с током не взаимодействуют друг с другом в случае, указанном на рисунке:
4. Частицы, имеющие одинаковые заряды, вылетают из точки А в магнитном поле с одинаковыми

7
I
L скоростями (см. рисунок). Максимальная масса соответствует частице:
1) 1 2) 2 3) 3 4) 4 5. Протон движется по окружности в однородном магнитном поле с индукцией В = 10
-3

Тл. За какое время он совершает полный оборот?
6. По плоскому контуру из тонкого провода течет ток I.
Найти магнитную индукцию поля, создаваемого этим током в точке О.
7. Найти циркуляцию вектора магнитной индукции l
B dl


по заданному замкнутому контуру L.
Вариант 5 1. Применение теоремы о циркуляции вектора магнитной индукции В ⃗к расчету поля соленоида.
2. Заряд q<0 движется со скоростью ????.⃗ Определить направление вектора магнитной индукции В⃗ в точке А (см. рисунок).
3. В магнитное поле влетает электрон и движется по окружности (см. рисунок). По какой траектории будет двигаться протон, влетевший в это поле с такой же скоростью?
4.
Квадратная проволочная рамка расположена в одной плоскости с длинным прямым проводом так, что две ее стороны параллельны проводу, а ближайшая к проводу сторона рамки находится на расстоянии, равном ее длине. По рамке и проводнику текут одинаковые токи I. Найти силу, действующую на рамку с током.
5. По плоскому контуру из тонкого провода течет ток
I. Найти магнитную индукцию поля, создаваемого этим током в точке О.
6. Ион, пройдя ускоряющую разность потенциалов U=645 В, влетел в скрещенные под прямым углом однородные магнитное (В=1 мТл) и электрическое (Е=200 В/м) поля. Определите отношение заряда иона к его массе, если ион в этих полях движется прямолинейно.
7. Найдите циркуляцию вектора магнитной индукции l
B dl


по заданному замкнутому контуру L (см. рисунок).
Лабораторная работа
№ 5.5. Определение точки Кюри ферромагнетика
Вопросы и задания для получения допуска к выполнению лабораторной работы №5.5

8 1. Вектор магнитной индукции. Вектор напряженности. Связь между вектором напряженности и вектором магнитной индукции.
2. Гипотеза Ампера.
3. Намагничивание вещества. Вектор намагниченности.
4. Магнитный момент атома. Прецессия электронных орбит.
5. Диамагнетики.
Намагничивание диамагнетиков во внешнем магнитном поле.
6. Парамагнетики. Намагничивание парамагнетиков во внешнем магнитном поле.
7. Ферромагнетики. Намагничивание ферромагнетиков во внешнем магнитном поле.
8. Магнитная проницаемость. Магнитная восприимчивость. Формулы.
9. Кривая намагничивания. Гистерезис.
10. Точка Кюри.
11. Домен. Доменная структура ферромагнетиков.
12. Расчетные формулы, использующиеся при проведении вычислений в лабораторной работе, величины в них входящие, их размерность.
13. Схема установки. Ход работы.
Теоретический минимум для отчета лабораторной работы №5.5 1. Намагничивание вещества.
Гипотеза
Ампера.
Вектор намагниченности.
2. Напряженность магнитного поля. Закон полного тока. Связь между В и Н.
3. Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле. Прецессия электронных орбит.
4. Природа диа- и парамагнетизма.
5. Ферромагнетики. Кривая намагничивания. Гистерезис. Точка Кюри.
Доменная структура ферромагнетиков.
Контрольные задания для отчета лабораторной работы №5.5
Вариант 1 1. Намагничивание вещества. Гипотеза Ампера. Вектор намагниченности.

2. Что характеризует относительная магнитная проницаемость среды?
Какие значения принимает она для различных магнетиков?
3. Как изменится циркуляция вектора магнитной индукции по контуру, охватывающему проводник с током, если пространство заполнить однородным и изотропным парамагнетиком?
4. На рисунке дано графическое изображение магнитного поля на границе двух магнетиков. Данному рисунку соответствует подпись:

1) линии магнитной индукции,
2) линии магнитной индукции,
3) линии напряженности,
4) линии напряженности,
5. На рисунке изображен монокристалл ферромагнетика в магнитном поле. Какая граница доменов, и в каком направлении стадии намагничивания?

1. Природа парамагнетизма. Какие вещества являются парамагнетиками?
2. В парамагнитной среде создано неоднородное магнитное поле.
Магнитные моменты молекул и магнитные силы, действующие на молекулы, направлены следующим образом
1)
,
 
; 2)
,
 
3. Магнитный момент


24 9,27 10
Б
Дж Тл




, намагниченность тела при
4. Изменится ли циркуляция вектора магнитной индукции по контуру, охватывающему проводник с током, если пространство заполнить однородным изотропным диамагнетиком?
5. На рисунке дано графическое изображение магнитного поля на границе двух магнетиков. Данному рисунку соответствует подпись:
1) линии магнитной индукции,
2) линии магнитной индукции,
3) линии напряженности,
4) линии напряженности,
1. Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле. Прецессия электронных орбит.
2. В диамагнитной среде создано неоднородное магнитное поле.
Магнитные моменты молекул и магнитные силы, действующие на молекулы, направлены следующим образом
1)
,
 
; 2)
,
 

3. Как связаны между собой векторы магнитной индук напряженности магнитного поля и намагниченности?
4. Представить для ферромагнетика графики зависимости
Дать пояснения.
5. На рисунке дано графическое изображение магнитного поля на границе двух магнетиков. Данному рисунку соответствует подпись:
9 индукции,
1 2



; индукции,
1 2
 

; напряженности,
1 2



; напряженности,
1 2
 

. На рисунке изображен монокристалл магнитном поле. Какая граница каком направлении смещается на начальной
Вариант 2

Природа парамагнетизма. Какие вещества являются парамагнетиками?
В парамагнитной среде создано неоднородное магнитное поле.
Магнитные моменты молекул и магнитные силы, действующие на молекулы, направлены следующим образом
,
 
; 3)
,
 
; 4)
,
 
момент каждого атома равен магнетону а концентрация атомов 6·10 28
м насыщении.
. Изменится ли циркуляция вектора магнитной индукции по контуру, охватывающему проводник с током, если пространство заполнить однородным изотропным диамагнетиком?
На рисунке дано графическое изображение магнитного поля на границе двух магнетиков. Данному рисунку соответствует подпись: индукции,
1 2



; линии магнитной индукции,
1 2
 

; напряженности,
1 2



; напряженности,
1 2
 

Вариант 3
Магнитные моменты атомов. Атом в магнитном поле. Прецессия
В диамагнитной среде создано неоднородное магнитное поле.
Магнитные моменты молекул и магнитные силы, действующие на молекулы, направлены следующим образом
,
 
; 3)
,
 
; 4)
,
 

0>