- •Теория метода
- •2. Задание
- •2.1. Теоретическая часть
- •2.2. Экспериментальная часть
- •1. Теория метода
- •2. Задание
- •2.2. Экспериментальная часть
- •1.Теория метода
- •2. Задание
- •2.1. Теоретическая часть
- •2.2. Экспериментальная часть
- •I. Теория метода
- •2. Задание
- •2.1. Теоретическая часть
- •2.2. Экспериментальная часть
2. Задание
2.1. Теоретическая часть
1. Дать определение следующим понятиям: момент силы, момент инерции, угловое ускорение (Что характеризует каждая из величин, как определяется её численное значение , каково её направление, если величина векторная?). Пояснить на рисунке смысл использованных буквенных обозначений.
2. Сформулировать II закон Ньютона для вращательного движения (словами
и аналитически) . Изобразить графически характер зависимости углового
ускорения от действующего момента сил (при постоянном моменте
инерции) и от момента инерции (при постоянном моменте сил).
3.Каким образом в работе предлагается проверить справедливость основного уравнения динамики вращательного движения?
4. Какими способами на маятнике Обербека можно изменить момент силы ?
5. Какими способами на маятнике Обербека можно изменить момент инерции системы?
6. Вывести рабочие формулы для определения углового ускорения и момента силы натяжения нити.
2.2. Экспериментальная часть
1. Установить грузики на спицах маятника Обербека в положение, указанное преподавателем, и сбалансировать маятник.
(Почему необходима балансировка?).
2. Привести систему во вращение с помощью грузика m, подвешенного к нити, и измерить:
а) высоту опускания грузика;
б) время опускания грузика (не менее трех раз);
в) радиус шкива, на котором намотана нить.
3. Повторить измерения по п.2., изменяя массу грузика так, чтобы получилось не менее 4-х экспериментальных точек. Все данные занести в таблицу.
4. Вычислить угловое ускорение и момент силы в каждом из 4 вариантов опыта по формулам (1.5) и (1.6).
5. Нанести экспериментальные точки на график зависимости между и М.
6. Проверить выполнимость основного закона динамики вращательного движения одним из методов, описанных в тексте (по указанию преподавателя).
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 209
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ
ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: блок питания, сменный модуль, магазин сопротивления, измерительный прибор.
1.Теория метода
Земля - естественный магнит, магнитное поле которого, как полагают современные теории, обусловлено, в основном токами, текущими по поверхности ядра Земли и частично намагниченностью горных пород Земли.
Магнитное поле невидимо, но его можно обнаружить с помощью магнитной стрелки (или пробного контура с током).
Для наглядного представления магнитных полей используют линии напряженности (индукции) - линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности.
Магнитное поле Земли представлено на рис. 1. Северный магнитный полюс N - в нынешнюю геологическую эпоху располагается вблизи южного географического S, а южный магнитный S - вблизи северного географического n.
Рис. 1
Наибольшее практическое значение имеет горизонтальная составляющая вектора напряженности магнитного поля Земли ,направление которой принимается за направление магнитного меридиана.
Для определения горизонтальной составляющей воспользуемся
методом сравнения с искусственным магнитным полем , созданным электрическим током, текущем по проводнику и направленным перпендикулярно .
Пусть магнитный меридиан MN располагается в плоскости чертежа, как показано на рис. 2. Направление горизонтальной составляющей в точке А нам покажет магнитная стрелка, помещенная в эту точку (положение 1 рис. 2). Создадим в этой точке искусственное поле . Поля по принципу суперпозиции складываются геометрически: . Магнитная стрелка повернется на угол и установится вдоль результирующего поля рез (положение 2, рис. 2).
Рис. 2
Из геометрии рис. 2 , отсюда
. (1)
Искусственное поле создается с помощью электрического тока, текущего по кольцевым проводникам (колеца Гельмгольца), которые представляют собой две одинаковые катушки (содержащие одинаковое число проволочных витков ), расположенные симметрично оси магнитной стрелки компаса (рис. 5), поэтому
, (2)
где - напряженность магнитного поля катушки;
- число витков в катушке;
- напряженность магнитного поля, создаваемого проволочным витком.
Напряженность магнитного поля витка вычисляется на основании принципа суперпозиции и закона Био-Савара-Лапласа.
В соответствии с принципом суперпозиции напряженность магнитного поля на оси витка в точке А равна геометрической сумме напряженностей полей , создаваемых элементами витка в этой точке
. (3)
В соответствии с законом Био-Савара-Лапласа
.
Построив векторы от всех элементов тока (по правилу векторного произведения) замечаем, что они образуют коническую поверхность (рис. 3)
Рис. 3
Для определения модуля напряженности НВ запишем уравнение (3) в проекциях на оси х, у, z:
и найдем .
Для любой пары диаметрально противоположных элементов (например dl1 и dl2) проекции векторов и на ось у равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки, поэтому в сумме дают ноль, тогда =0. Аналогично для проекций на ось z: =0.
Проекции же на ось х для всех векторов имеют одинаковые знаки, тогда
HB= . (4)
На основании закона Био-Савара-Лапласа модуль найдется, как
,
А его проекция на ось х:
, (5)
где α – угол между и ; α=90; sinα=1;
β – угол между и осью х (рис.4), β одинаков для всех элементов тока
Рис. 4
Подставляя (5) в (4), получим
, (6)
где R – радиус витка.
В треугольнике ОВА В=β, ;
С учетом этих соотношений для модуля напряженности поля, созданного одним витком, по которому течет ток I, получаем:
. (7)
Так как в каждой катушке n витков, а токи в катушках направлены так, что их магнитные поля усиливают друг друга
. (8)
Подставляя это выражение в (1), окончательно получаем рабочую формулу для определения горизонтальной составляющей поля Земли
. (9)