ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ-ОПТИКА
.pdfФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОУ ВПО «МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ Г.И.НОСОВА»
КАФЕДРА ФИЗИКИ
ЭЛЕКТРОМАГНЕТИЗМ
ОПТИКА
Инструкции по выполнению лабораторных работ
МАГНИТОГОРСК
2006
УДК 535 / 538 (075)
Рецензент: к.ф.-м.н., доцент МГТУ Г.А. Дубский
Составители: Ю.И.Савченко Ю.М.Дубосарская Н.С. Подкорытова Ю.Б.Малкова Е.П.Селезнева
Э.В.Машинсон И.Ю.Богачева Л.С.Долженкова Б.Б.Богачева М.Б.Аркулис А.Г.Миньков Ю.Е.Милов Л.А.Попова Л.А.Литичевская А.Ю.Леднов
Компьютерный набор и верстка: А.А.Евстегнеев Компьютерный набор: М.В.Устинов
Электромагнетизм оптика инструкции по выполнению лабораторных работ Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», 2006 -62с.
Составлены в соответствии с программой по физике для инженерно-технических специальностей высших учебных заведений, содержат описание лабораторных работ по электромагнетизму и оптике. К инструкциям по выполнению лабораторных работ прилагаются рабочие тетради для составления отчета.
©Ю.И.Савченко Ю.М.Дубосарская Н.С. Подкорытова Ю.Б.Малкова Е.П.Селезнева Э.В.Машинсон И.Ю.Богачева Л.С.Долженкова Б.Б.Богачева М.Б.Аркулис А.Г.Миньков Ю.Е.Милов Л.А.Попова .А.Литичевская А.Ю.Леднов, 2006
©ГОУ ВПО «МГТУ им. Г.И.Носова», 2006
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Содержание ...................................................................................................... |
3 |
ЭЛЕКТОМАГНЕТИЗМ |
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21 |
|
Исследование электростатического поля с помощью зонда ....................... |
4 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23 |
|
Измерение электродвижущей силы источника тока..................................... |
7 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 24 |
|
Шунтирование миллиамперметра ................................................................ |
15 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №26 |
|
Измерение емкостей методом мостиковой схемы и расчет емкостных |
|
сопротивлений в цепях переменного тока ................................................... |
20 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №27 |
|
Изучение резонанса напряжений и определение индуктивности методом |
|
резонанса ........................................................................................................ |
23 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №28 |
|
Определение индуктивности катушки и магнитной проницаемости |
|
ферромагнитного тела ................................................................................... |
26 |
ОПТИКА |
|
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №32 |
|
Определение радиуса кривизны линзы и полосы пропускания |
|
светофильтра с помощью колец Ньютона ................................................... |
33 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №32А |
|
Интерферометрические измерения на основе опыта Юнга ....................... |
36 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 32Б |
|
Определение геометрических размеров при помощи бипризмы Френеля. |
|
......................................................................................................................... |
41 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 34 |
|
Определение длины световой волны и характеристик дифракционной |
|
решетки. .......................................................................................................... |
45 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 35 |
|
Определение концентрации растворов сахара и постоянной вращения. .. |
48 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36 |
|
Снятие вольтамперных характеристик фотоэлемента и определение его |
|
чувствительности ........................................................................................... |
53 |
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36А |
|
Изучение закономерностей фотоэффекта.................................................... |
57 |
Библиографический список .......................................................................... |
62 |
3
ЭЛЕКТОМАГНЕТИЗМ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №21 Исследование электростатического поля с помощью зонда
Методика эксперимента
Электростатическое поле - это поле, создаваемое неподвижными электрическими зарядами.
Исследование такого поля проводится посредством перемещения измерительного зонда в диэлектрической среде, в которой создано это поле.
Однако практически очень трудно создать систему неподвижных зарядов и осуществить электростатические измерения. Это объясняется тем, что реальные диэлектрические среды обладают некоторой электропроводимостью, зависящей от внешних условий. Поэтому используется метод моделирования.
Электростатическое поле в диэлектрической среде подобно полю постоянного тока в проводящей среде при одинаковой конфигурации электродов. Поэтому проводящая среда с током может служить моделью для исследования электростатического поля, если проводимость среды заменить диэлектрической проницаемостью , заданной для моделируемого диэлектрика, а электроды в обоих случаях расположить одинаково.
В лабораторной работе используется плоское стационарное поле тока. В качестве проводящей среды используется электропроводная бумага. Бумага становится электропроводной, если при её изготовлении в целлюлозу ввести частицы сажи или графита.
Схема экспериментальной установки показана на рис.21.1
Электрическое поле создается металлическими электродами, которые укреплены на планшете с электропроводной бумагой и подключены к источнику постоянного тока.
Исследование распределения потенциалов и построение эквипотенциальных линий производится с помощью зонда.
4
Зонд представляет собой тонкий металлический стержень, изолированный по всей длине, кроме конца. Зонд присоединен к одной из клемм вольтметра, другая клемма вольтметра соединяется с одним из электродов.
Перемещая зонд по электропроводной бумаге, можно найти точки, в которых потенциал одинаков, т. е. вольтметр будет показывать одно и то же напряжение.
2
Рис.21.1
1.Электроды. 2.Источник постоянного напряжения. 3.Вольтметр. 4.Зонд. 5.Электропроводная бумага.
Задание 1.
Построение эквипотенциальных и силовых линий, расчет напряженности поля в заданных точках.
Порядок выполнения работы.
1.Начертите строго в масштабе клеточное поле проводящей бумаги и очертания электродов.
2.Используя зонд, найдите на верхней горизонтальной линии планшета точку, соответствующую определенному потенциалу (значения потенциалов задается преподавателем).
3. |
Перемещая |
зонд, |
найдите |
на |
каждой |
5
горизонтальной линии клеточного поля точки, соответствующие данному потенциалу.
4.Соединяя полученные точки, проведите эквипотенциальную линию.
5.Аналогично необходимо найти расположение эквипотенциальных линий для точек с другими значениями потенциала.
6.Проведите не менее пяти силовых линии поля. Они направлены от электрода с положительным потенциалом к электроду с отрицательным потенциалом, перпендикулярно к эквипотенциальным линиям и электродам.
7.По заданию преподавателя рассчитайте напряженность электрического поля в точках между двумя эквипотенциальными линиями по формуле:
E |
|
, |
|
(1) |
l |
|
|||
|
|
|
|
|
где - разность потенциалов, а |
l |
- кратчайшее расстояние |
между этими линиями.
8.Результаты расчетов запишите в таблицу 1 рабочей
тетради.
9.Проведите из данных точек векторы напряженности
E , выбрав соответствующий масштаб.
Задание 2.
Исследование электростатического поля в заданном направлении.
1.Выберите направление оси х вдоль линии симметрии поля.(«0» оси возьмите на одном из электродов).
2.Нанесите масштаб, и определите положение точек указанных преподавателем на этой оси -х,
3.Рассчитайте напряженность поля в этих точках – E.
4.Результаты измерений и график занесите в таблицу 2 рабочей тетради
5.Постройте зависимость Е от х.
6
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 23 Измерение электродвижущей силы источника тока
Цель работы: ознакомиться с некоторыми методами измерения ЭДС источника тока
Методика эксперимента
Выбор того или иного метода измерения ЭДС источника тока диктуется требуемой точностью измерений и наличием электроизмерительных приборов.
Измерение ЭДС вольтметром.
Самым простым и быстрым является метод определения ЭДС с помощью вольтметра.
Если к источнику тока с ЭДС подключить вольтметр, то в цепи потечет ток (рис. 23.1).
,r
Rv
Рис.23.1
Сила тока, согласно закону Ома для замкнутой цепи, равна:
I |
|
, |
(1) |
|
|||
R r |
|||
|
V |
|
|
где RV - сопротивление вольтметра; r - внутреннее сопротивление
источника тока. |
|
Вольтметр покажет напряжение на самом |
себе, равное |
UV I RV |
(2) |
Подставив силу тока (1) в (2), получим: |
|
7
U |
|
|
RV |
|
|
|
(3) |
|||
V |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
RV r |
|
r |
|
|||||
|
|
|
1 |
|
||||||
|
|
|
|
|
|
RV |
|
|
|
|
Из (3) видно, что если подобрать вольтметр с |
||||||||||
сопротивлением |
RV |
r , то отношение r / RV |
может быть |
достаточно малым и показания вольтметра будут приближаться к ЭДС источника. Погрешность измерения при этом будет определяться практически только точностью вольтметра. Так, если источник тока имеет большое внутреннее сопротивление, то
условию |
RV r |
удовлетворяют |
электронный |
и |
электростатический вольтметры. Первый имеет сопротивление от сотен тысяч до десятков миллионов Ом, сопротивление второго
RV . Однако тот и другой вольтметры имеют сравнительно
невысокую точность. Основными недостатками описанного методы являются: 1) необходимость знать заранее хотя бы ориентировочно сопротивление источника тока; 2) недостаточная в некоторых случаях точность измерения.
Порядок выполнения задания
1.Подключите вольтметр к источнику тока с ЭДС, равной
1 (рис. 1). Запишите показания вольтметра, считайте 1 UV .
2.Измерьте таким же образом ЭДС второго источника 2 , а
также ЭДС двух источников, соединенных последовательно и параллельно (рис.23.2) между собой.
1 |
1 |
2 |
Рис.23.2 |
2 |
3. Определите по шкале вольтметра его сопротивление RV , класс точности и предел измерения U max .
8
4. Результаты всех измерений занесите в таблицу 1 рабочей тетради.
Измерение ЭДС методом известных сопротивлений
Источник тока включается последовательно с амперметром и магазином сопротивлений, позволяющим вводить в цепь различные сопротивления R (рис.23.3)
Рис.23.3
Закон Ома для данной цепи будет иметь вид: |
||||||
I |
|
|
|
, |
(4) |
|
RA r R |
||||||
где RA - сопротивление амперметра; |
R - сопротивление магазина; |
|||||
I - сила тока в цепи. |
|
|
||||
Выразим R из (4): |
|
|||||
R |
1 |
R |
|
r |
(5) |
|
|
A |
|||||
|
|
I |
|
|
||
|
|
|
|
|
Из (5) видно, что зависимость между R и 1/ I представляет собой уравнение прямой, значение углового коэффициента которой равно . Поэтому, измерив ряд значений тока при различных сопротивлениях на магазине М и построив график зависимости R от 1/ I (рис.23.4), находят ЭДС источника тока, как угловой коэффициент прямой.
9
R
2 R
1 R
0 |
|
|
|
R |
1/ I1 |
1/ I2 |
1/ I |
|
|
|
|
|
Рис.23.4 |
|
|
Для этого выбирают любые две точки 1 и 2 на графике и, взяв соответствующие им значения R1 , R2 ,1/ I1 и 1/ I 2 , находят
ЭДС по формуле |
|
|||||
|
|
R2 |
R1 |
|
(6) |
|
1/ I |
2 |
1/ I |
||||
|
|
|
1 |
|
|
|
По |
графику рис.4 |
можно определить также внутреннее |
сопротивление источника тока r . Из формулы (5) следует, что при |
|||
1/ I 0 |
R R0 RA r - |
это точка пересечения |
графика с |
осью R . Зная RA , находят |
|
|
|
r R0 RA |
|
(7) |
|
|
Примечание. |
|
|
Для |
определения ЭДС |
по формуле (6) можно |
было бы |
провести измерение тока только при двух сопротивлениях R1 и R2 .
Однако это снизит точность результатов. Построение же графика по многим точкам уменьшает ошибку метода.
Недостаток метода: достаточно громоздкий способ расчета.
10