Департамент образования города Москвы

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования города Москвы

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ № 42

 

 

 

Образовательная программа

среднего профессионального образования

 

 

 

 

 

 

 

Методические рекомендации к выполнению

лабораторных работ по дисциплине

________________ФИЗИКА__________________

^{наименование}

 

 

программы подготовки специалистов среднего звена

220703 «Автоматизация технологических процессов и производств»,

230113 «Компьютерные системы и комплексы»,

160108 «Производство летательных аппаратов»,

210413 «Радиоаппаратостроение»,

210414 «Техническое обслуживание и ремонт радиоэлектронной техники»

код и наименование специальности (по ФГОС СПО)

 

 

 

 

 

 

 

Москва, 2014

 

ОДОБРЕНО Предметной (цикловой) комиссией математических и  естественнонаучных дисциплин наименование комиссии           Протокол № от  ______________2013 г.
Председатель предметной (цикловой) комиссии _________/ Шмельков В.Ю./

       Подпись                Ф.И.О.                                                          

 

 

 

 

 

Автор- составитель: Преподаватель высшей категории Т.Н.Синилова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Методические указания к выполнению лабораторных работ по физике составлены в соответствии с программой по физике.  Методические указания предполагают краткую теоретическую подготовку по данной теме с составлением отчета по указанной теме лабораторной работы; ознакомление с приборами, сборку схем; проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета по выполненной работе.

Письменные инструкции к каждой лабораторной работе, приведенные в данном пособии, не только позволяют определить порядок выполнения работы, но предполагают контрольные вопросы по каждой теме.

Содержание

Введение.

1.    «Исследование равномерного движения»;

2.    «Исследование движения тела под действием постоянной силы»;

3.    «Тепловая машина. КПД теплового двигателя»;

4.    «Изучение закона Ома для полной цепи»;

5.    «Изучение соединений катушек индуктивности и конденсаторов»;

6.    «Изучение линий магнитного поля»;

7.    «Изучение явления электромагнитной индукции»;

8.    «Исследование зависимости силы тока от электроемкости конденсатора в цепи переменного тока»;

9.    «Изучение законов геометрической и волновой оптики»;

10.          «Изучение треков заряженных частиц по фотографиям».

 

Введение

 Цель данного пособия – помочь обучающимся выполнить лабораторные работы, предусмотренные программой по физике, научить правильно, определять погрешности и производить необходимую числовую обработку результатов лабораторного эксперимента.

Весь процесс выполнения лабораторных работ включает в себя теоретическую подготовку, ознакомление с приборами и сборку схем, проведение опыта и измерений, числовую обработку результатов лабораторного эксперимента и сдачу зачета по выполненной работе.

 

Теоретическая подготовка

Теоретическая подготовка необходима для проведения физического эксперимента, должна проводиться обучающимися в порядке самостоятельной работы. Ее следует начинать внимательным разбором руководства к данной лабораторной работе.

Особое внимание в ходе теоретической подготовки должно быть обращено на понимание физической сущности процесса.

Для самоконтроля в каждой работе приведены контрольные вопросы, на которые обучающийся обязан дать четкие, правильные ответы.

 

Теоретическая подготовка завершается предварительным составлением отчета со следующим порядком записей:

1.     Название работы.

2.     Цель работы.

3.     Оборудование.

4.     Ход работы (включает рисунки, схемы, таблицы, основные формулы для определения величин, а так же расчетные формулы для определения погрешностей измеряемых величин).

5.     Расчеты – окончательная запись результатов работы.

6.     Вывод.

Ознакомление с приборами, сборка схем

        Приступая к лабораторным работам, необходимо:

1)    получить у лаборанта приборы, требуемые для выполнения работы;

2)    разобраться в назначении приборов и принадлежностей в соответствии с их техническими данными;

3)    пользуясь схемой или рисунками, имеющимися в пособии, разместить приборы так, чтобы удобно было производить отсчеты, а затем собрать установку;

4)    сборку электрических схем следует производить после тщательного изучения правил выполнения лабораторных работ по электричеству.

  Проведение опыта и измерений

При выполнении лабораторных работ измерение физических величин необходимо проводить в строгой, заранее предусмотренной последовательности.

Особо следует обратить внимание на точность и своевременность отсчетов при измерении нужных физических величин. Например,   точность измерения времени с помощью секундомера зависит не только от четкого определения положения стрелки, но и в значительной степени – от своевременности  включения и выключения часового механизма.

Критерии оценок лабораторных работ

Оценка «5» (отлично) ставится, если обучающийся выполняет работу в полном объеме с соблюдением необходимой последовательности проведения опытов и измерений; самостоятельно и рационально монтирует необходимое оборудование; все опыты проводит в условиях и режимах, обеспечивающих получение правильных результатов и выводов; соблюдает требования правил безопасного труда; в отчете правильно и аккуратно выполняет все записи, таблицы, рисунки, чертежи, графики, вычисления; правильно выполняет анализ погрешностей.

Оценка «4» (хорошо) ставится, если выполнены требования к оценке 5, но было допущено два-три недочета, не более одной негрубой ошибки и одного недочета.

Оценка «3» (удовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью, но объем выполненной части таков, что позволяет получить правильные результаты и выводы; если в ходе проведения опыта и измерений были допущены ошибки.

Оценка «2» (неудовлетворительно) ставится, если работа выполнена не полностью и объем выполненной части работы не позволяет сделать правильных выводов; если опыты, измерения, вычисления, наблюдения производились неправильно.

Лабораторные работы выполняются по письменным инструкциям, которые приводятся в данном пособии. Каждая инструкция содержит краткие теоретические сведения, относящиеся к данной работе, перечень необходимого оборудования, порядок выполнения работы, контрольные вопросы.

Внимательное изучение методических указаний поможет выполнить работу.

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №1. Исследование равномерного движения

Теоретическая часть:

Эксперименты проводятся с коническим маятником. Небольшой шарик движется по окружности радиуса R. При этом нить АВ, к которой прикреплен шарик, описы­вает поверхность прямого кругового конуса. На шарик действуют две силы: сила тяжести и натяжение ни­ти  (рис. а). Они создают центростремительное ускорение , направленное по радиусу к центру окруж­ности. Модуль ускорения можно определить кинематиче­ски. Он равен:



Для определения ускорения надо измерить радиус окружности и период обращения шарика по окружности.

Центростремительное (нормальное) ускорение можно определить также, используя законы динамики.

Согласно второму закону Ньютона . Разло­жим силу  на составляющие и , направленные по радиусу к центру окружности и по вертикали вверх.

Тогда второй закон Ньютона запишется следующим об­разом:



Направление координатных осей выберем так, как показано на рисунке б. В проекциях на ось О₁у уравнение движения ша­рика примет вид: 0 = F₂ — mg. От­сюда F₂ = mg: составляющая уравновешивает силу тяжести , действующую на шарик.

Запишем второй закон Нью­тона в проекциях на ось О₁х:

ma_n = F₁. Отсюда 

Модуль составляющей F₁ мож­но определить различными спосо­бами. Во-первых, это можно сде­лать из подобия треугольников ОАВ и FBF₁:



Отсюда  и 

Во-вторых, модуль составляю­щей F₁ можно непосредственно из­мерить динамометром. Для этого оттягиваем горизонтально располо­женным динамометром шарик на расстояние, равное радиусу R окружности (рис. в), и опре­деляем показание динамометра. При этом сила упругости пружи­ны уравновешивает составляющую .

Сопоставим все три выражения для а_n:

, , 

и убедимся, что они близки меж­ду собой.

В этой работе с наибольшей тщательностью следует из­мерять время. Для этого полезно отсчитывать возможно большее число оборотов маятника, уменьшая тем самым относительную погрешность.

Взвешивать шарик с точностью, которую могут дать лабораторные весы, нет необходимости. Вполне достаточ­но взвешивать с точностью до 1 г. Высоту конуса и ра­диус окружности достаточно измерить с точностью до 1 см. При такой точности измерений относительные по­грешности величин будут одного порядка.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, лента измерительная, циркуль, динамометр лабораторный, весы с разновесами, шарик на нити, кусочек пробки с отверстием, лист бумаги, линейка.

Указания к работе.

1. Определяем массу шарика на весах с точностью до 1 г.

2. Нить продеваем сквозь отверстие и зажимаем пробку в лапке штатива (рис. в).

3. Вычерчиваем на листе бумаги окружность, радиус которой около 20 см. Измеряем радиус с точностью до 1 см.

4. Штатив с маятником располагаем так, чтобы продолжение шнура проходило через центр окружности.

5. Взяв нить пальцами у точки подвеса, вращаем маятник так, чтобы шарик описывал окружность, равную начерченной на бумаге.

6. Отсчитываем время, за которое маятник совершает к примеру, N = 50 оборотов.

7. Определяем высоту конического маятника. Для этого измеряем расстояние по вертикали от центра шарик; до точки подвеса.

8. Находим модуль центростремительного ускорение по формулам:

 и 

9. Оттягиваем горизонтально расположенным динамо метром шарик на расстояние, равное радиусу окружности, и измеряем модуль составляющей . Затем вычисляем ускорение по формуле .

10. Результаты измерений заносим в таблицу.

Номер опыта	R	N	Δt	T= Δt/N	h	m

Сравнивая полученные три значения модуля центростремительного ускорения, убеждаемся, что они примерно одинаковы.

Лабораторная работа 1. 

Цель работы:	измерить ускорение шарика, скатывающегося по наклонному желобу.
Оборудование:	металлический желоб, штатив с муфтой и зажимом, стальной шарик, металлический цилиндр, измерительная лента, секундомер или часы с секундной стрелкой.
Описание работы.	Движение шарика, скатывающегося по желобу, приближенно можно считать равноускоренным. При равноускоренном движении без начальной скорости модуль перемещения s, модуль ускорения а и время движения t связаны соотношением .Поэтому, измерив s и t, мы можем найти ускорение а по формуле Чтобы повысить точность измерения, ставят опыт несколько раз, а затем вычисляют средние значения измеряемых величин.

ХОД РАБОТЫ:

1. Соберите установку,  изображенную на рисунке (верхний конец желоба должен быть на несколько сантиметров выше нижнего). Положите в желоб у его нижнего конца металлический цилиндр. Когда шарик, скатившись, ударится о цилиндр, звук удара поможет точнее определить время движения шарика.
2. Отметьте на желобе начальное положение шарика, а также его конечное положение
3. Измерьте расстояние между верхней и нижней отметками на желобе (модуль s перемещения шарика) и результат измерения запишите в таблицу.
4.  Выбрав момент, когда секундная стрелка находится на делении, кратном 10-ти, отпустите шарик без толчка у верхней отметки и измерьте время tдо удара шарика о цилиндр. Повторите опыт 5 раз, записывая в таблицу результаты измерений. При проведении каждого опыта пускайте шарик из одного и того же начального положения, а также следите за тем, чтобы верхний торец цилиндра находился у соответствующей отметки.
5. Вычислите  и результат запишите в таблицу.
6. Вычислите ускорение, с которым скатывался шарик: . Результат вычислений запишите в таблицу.
7. Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

Лабораторная работа № 2. «Исследование движения тела под

действием постоянной силы»;

Теоретическая часть:

 

ДИНАМИКА - часть механики, изучающая связь движения тела с причинами, которые его вызвали.

ДИНАМИЧЕСКИЕ характеристики  - это такие характеристики движения, быстрота изменения которых (производная по времени) пропорциональна определенной характеристике внешнего воздействия. Одной из динамических характеристик движения МТ является импульс    .

МАССА  m  есть количественная характеристика инертности тела.

ИНЕРТНОСТЬ есть свойство тела противодействовать попыткам изменить его состояние покоя или движения.

ДИНАМИЧЕСКОЕ УРАВНЕНИЕ для импульса (иногда его называют «уравнением движения тела» или «вторым законом Ньютона»)

 .

Словесная формулировка: «быстрота изменения импульса определяется суммой всех сил, действующих на тело».

ВТОРОЙ ЗАКОН НЬЮТОНА есть следствие динамического уравнения для импульса тела с постоянной массой, и имеет вид:

 .

СИЛА ТРЕНИЯ СКОЛЬЖЕНИЯ возникает при соприкосновении двух поверхностей тел и наличии движения одной поверхности относительно другой.

СВОЙСТВА силы трения скольжения:

·      направлена против скорости,

·      не зависит от величины скорости,

·      пропорциональна величине силы N, прижимающей по нормали одно тело к поверхности другого .

СИЛА ТРЕНИЯ покоя возникает при соприкосновении поверхностей двух тел и наличии составляющей силы, приложенной к одному из тел, направленной вдоль поверхностей и стремящейся вызвать движения (СВД) данного тела вдоль поверхности другого (рис.1).

 

На рис.1 не показаны сила тяжести и сила реакции опоры (подумайте, где каждая приложена и как направлена).

 

СВОЙСТВА силы трения покоя

·      направлена против составляющей силы СВД,

·      равна (до определенного порога) по величине составляющей силы СВД,

имеет максимальное значение, максимальное значение силы трения покоя пропорционально величине силы N, сжимающей поверхности по нормали  .

 

ЗАДАНИЕ: Выведите формулу для нормированного ускорения кубика (a/g) в данной ЛР и для ускорения свободного падения на большой высоте h над поверхностью Земли.

УКАЗАНИЯ: Выпишите формулу для второго закона Ньютона. Подставьте в нее все реальные силы, действующие на кубик. Спроектируйте полученное векторное уравнение на вертикальную и горизонтальную оси. Решите систему уравнений и, разделив слева и справа на mg, найдите нормированное ускорение.

Лабораторная работа 2. 

 

Цель работы:	измерить начальную скорость тела, брошенного горизонтально.
Оборудование:	штатив с муфтой и зажимом, изогнутый желоб, металлический шарик, лист бумаги, лист копировальной бумаги, отвес, измерительная лента.
Описание работы.	Шарик скатывается по изогнутому желобу, нижняя часть которого горизонтальна. После отрыва от желоба шарик движется по параболе, вершина которой находится в точке отрыва шарика от желоба. Выберем систему координат, как показано на рисунке. Начальная высота шарика h и дальность полета l связаны соотношением . Согласно этой формуле при уменьшении начальной высоты в 4 раза дальность полета уменьшается в 2 раза. Измерив h и l, можно найти скорость шарика в момент отрыва от желоба по формуле

ХОД РАБОТЫ:

1. Соберите установку, изображенную на рисунке. Нижний участок желоба должен быть горизонтальным, а расстояние h от нижнего края желоба до стола должно быть равным 40 см. Лапки зажима должны быть расположены вблизи верхнего конца желоба.
2. Положите под желобом лист бумаги, придавив его книгой, чтобы он не сдвигался при проведении опытов. Отметьте на этом листе с помощью отвеса точку А, находящуюся на одной вертикали с нижним концом желоба.
3. Поместите в желоб шарик так, чтобы он касался зажима, и отпустите шарик без толчка. Заметьте (примерно) место на столе, куда попадет шарик, скатившись с желоба и пролетев по воздуху. На отмеченное место положите лист бумаги, а на него — лист копировальной бумаги «рабочей» стороной вниз. Придавите эти листы книгой, чтобы они не сдвигались при проведении опытов.
4. Снова поместите в желоб шарик так, чтобы он касался зажима, и отпустите без толчка. Повторите этот опыт 5 раз, следя за тем, чтобы лист копировальной бумаги и находящийся под ним лист не сдвигались. Осторожно снимите лист копировальной бумаги, не сдвигая находящегося под ним листа, и отметьте какую-либо точку, лежащую между отпечатками. Учтите при этом, что видимых отпечатков может оказаться меньше 5-ти, потому что некоторые отпечатки могут слиться.
5. Измерьте расстояние l от отмеченной точки до точки А, а также расстояние L между крайними отпечатками.
6. Повторите пункты 1-5, опустив желоб так, чтобы расстояние от нижнего края желоба до стола было равно 10 см (начальная высота). Измерьте соответствующее значение дальности полета и вычислите отношения h₁ /h₂ и l₁ /l₂.
7. Результаты измерений и вычислений запишите в таблицу.

№ опыта	h, м	l, м	h1 / h2	l1 / l2
1
2

8. По результатам первого опыта вычислите значение начальной скорости, используя формулу

Запишите вывод: что вы измеряли и какой получен результат.

 

Лабораторная работа № 3. «Тепловая машина. КПД теплового двигателя»

 

Теоретическая часть:

Тепловым двигателями называют машины, в которых внутренняя энергия топлива превращается в механическую энергию. Сегодня один из самых распространенных тепловых двигателей является ДВС. Принцип действия заключается в том, что энергия топлива переходит во внутреннюю энергию пара, а пар, расширяясь, совершает работу. Так внутренняя энергия пара превращается в кинетическую энергию поршня.

Только в идеальных условиях полная работа равна работе полезной. Отношение полезной работы к полной называется КПД. КПД любого механизма всегда меньше 100%.

Лабораторная работа 3. 

Цель работы: объяснять принцип действия тепловых двигателей;

приводить примеры применения знаний о необратимости тепловых процессов.

Оборудование: Демонстрационные плакаты: 27.4.  Четырёхтактный  двигатель     внутреннего сгорания, 27.5. Паровая машина Ползунова,  27.7. Работа газа,  27.8. Газотурбинный двигатель,  27.9.  Паровая турбина,  27.10. Энергетика и энергетические ресурсы.

Ход работы:

 

1. Все физические явления и законы находят применение в повседневной жизни человека. Запасы внутренней энергии в океанах и земной коре можно считать практически неограниченными. Но располагать этими запасами недостаточно. Необходимо за счет энергии уметь приводить в действие устройства, способные совершать работу.

 

- Что является источником энергии? (различные виды топлива, энергия ветра, солнца, приливов и отливов)

 

- Существуют различные типы машин, которые реализуют в своей работе превращение одного вида энергии в другой.

 

Тепловой двигатель – устройство, превращающее внутреннею энергию топлива в механическую энергию.

 

2. Рассмотрим  устройство и принцип работы теплового двигателя. Тепловая машина работает циклично.

 

Любая тепловая машина состоит из нагревателя, рабочего тела и холодильника.

 

КПД замкнутого цикла

 

Q1 – количество теплоты полученное от нагревания Q1>Q2

 

Q2 – количество теплоты отданное холодильнику Q 2<Q 1

 

A=| Q 1|– |Q 2| – работа совершаемая двигателем за цикл.

 

3. Цикл C. Карно

 

 

 

T1 – температура нагревателя

Т2 – температура холодильника

 – не зависит от Q, р, V топлива.

КПД= (Т₁ – Т₂ )/ Т₁

 

На всех основных видах современного транспорта преимущественно используются тепловые двигатели. На железнодорожном транспорте до середины XX в. основным двигателем была паровая машина. Теперь же главным образом используют тепловозы с дизельными установками и электровозы. На водном транспорте также использовались вначале паровые двигатели, сейчас используются как двигатели внутреннего сгорания, так и мощные турбины для крупных судов.

 

4. Наибольшее значение имеет использование тепловых двигателей (в основном мощных паровых турбин) на тепловых электростанциях, где они приводят в движение роторы генераторов электрического тока. Около 80 % всей электроэнергии в нашей стране вырабатывается на тепловых электростанциях.

Тепловые двигатели (паровые турбины) устанавливают также на атомных электростанциях. Газовые турбины широко используются в ракетах, в железнодорожном и автомобильном транспорте.

На автомобилях применяют поршневые двигатели внутреннего сгорания с внешним образованием горючей смеси (карбюраторные двигатели) и двигатели с образованием горючей смеси непосредственно внутри цилиндров (дизели).

В авиации на легких самолетах устанавливают поршневые двигатели, а на огромных лайнерах – турбовинтовые и реактивные двигатели, которые также относятся к тепловым двигателям. Реактивные двигатели применяются и на космических ракетах.

 

 

5. Рассмотрим более подробно работу двигателя внутреннего сгорания. Просмотр видеофрагмента.

 

Работа четырехтактного ДВС.

 1 такт: впуск.

 2 такт: сжатие.

 3 такт: рабочий ход.

 4 такт: выпуск.

 • Устройство: цилиндр, поршень, коленчатый вал, 2 клапана(впуск и выпуск), свеча.

 • Мертвые точки – крайнее положение поршня.

 Сравним эксплуатационные характеристики тепловых двигателей.

КПД:

Паровой двигатель – 8%

Паровая турбина – 40%

Газовая турбина – 25-30%

Двигатель внутреннего сгорания – 18-24%

Дизельный двигатель – 40– 44%

Реактивный двигатель – 25%

 

6. Тепловые двигатели и охрана окружающей среды

 

        Неуклонный рост энергетических мощностей – все большее распространение укрощенного огня – приводит к тому, что количество выделяемой теплоты становится сопоставимым с другими компонентами теплового баланса в атмосфере. Это не может не приводить к повышению средней температуры на Земле. Повышение температуры может создать угрозу таяния ледников и катастрофического повышения уровня Мирового океана. Но этим не исчерпываются негативные последствия применения тепловых двигателей. Растет выброс в атмосферу микроскопических частиц – сажи, пепла, измельченного топлива, что приводит к увеличению “парникового эффекта”, обусловленного повышением концентрации углекислого газа в течение длительного промежутка времени. Это приводит к повышению температуры атмосферы.

        Выбрасываемые в атмосферу токсические продукты горения, продукты неполного сгорания органического топлива – оказывают вредное воздействие на флору и фауну. Особую опасность в этом отношении представляют автомобили, число которых угрожающе растет, а очистка отработанных газов затруднена. Все это ставит ряд серьезных проблем перед обществом.

        Необходимо повышать эффективность сооружений, препятствующих выбросу в атмосферу вредных веществ; добиваться более полного сгорания топлива в автомобильных двигателях, а также увеличения эффективности использования энергии, экономии ее на производстве и в быту.

 

Альтернативные двигатели:

1. Электрические

2. Двигатели, работающие на энергии солнца и ветра

 

Лабораторная работа №4.  Изучение закона Ома для полной цепи

Теоретическая часть:

Если изолированный проводник поместить в электрическое поле то на свободные заряды q в проводнике будет действовать сила В результате в проводнике возникает кратковременное перемещение свободных зарядов. Этот процесс закончится тогда, когда собственное электрическое поле зарядов, возникших на поверхности проводника, скомпенсирует полностью внешнее поле. Результирующее электростатическое поле внутри проводника будет равно нулю

Однако, в проводниках при определенных условиях может возникнуть непрерывное упорядоченное движение свободных носителей электрического заряда. Такое движение называется электрическим током. За направление электрического тока принято направление движения положительных свободных зарядов. Для существования электрического тока в проводнике необходимо создать в нем электрическое поле.

Количественной мерой электрического тока служит сила тока I – скалярная физическая величина, равная отношению заряда Δq, переносимого через поперечное сечение проводника (рис. 1.8.1) за интервал времени Δt, к этому интервалу времени:

Если сила тока и его направление не изменяются со временем, то такой ток называется постоянным.

В Международной системе единиц СИ сила тока измеряется в амперах (А). Единица измерения тока 1 А устанавливается по магнитному взаимодействию двух параллельных проводников с током

Постоянный электрический ток может быть создан только в замкнутой цепи, в которой свободные носители заряда циркулируют по замкнутым траекториям. Электрическое поле в разных точках такой цепи неизменно во времени. Следовательно, электрическое поле в цепи постоянного тока имеет характер замороженного электростатического поля. Но при перемещении электрического заряда в электростатическом поле по замкнутой траектории, работа электрических сил равна нулю Поэтому для существования постоянного тока необходимо наличие в электрической цепи устройства, способного создавать и поддерживать разности потенциалов на участках цепи за счет работы сил неэлектростатического происхождения. Такие устройства называются источниками постоянного тока. Силы неэлектростатического происхождения, действующие на свободные носители заряда со стороны источников тока, называются сторонними силами.

Природа сторонних сил может быть различной. В гальванических элементах или аккумуляторах они возникают в результате электрохимических процессов, в генераторах постоянного тока сторонние силы возникают при движении проводников в магнитном поле. Источник тока в электрической цепи играет ту же роль, что и насос, который необходим для перекачивания жидкости в замкнутой гидравлической системе. Под действием сторонних сил электрические заряды движутся внутри источника тока против сил электростатического поля, благодаря чему в замкнутой цепи может поддерживаться постоянный электрический ток.

При перемещении электрических зарядов по цепи постоянного тока сторонние силы, действующие внутри источников тока, совершают работу.

Физическая величина, равная отношению работы A_ст сторонних сил при перемещении заряда q от отрицательного полюса источника тока к положительному к величине этого заряда, называется электродвижущей силой источника (ЭДС):

Таким образом, ЭДС определяется работой, совершаемой сторонними силами при перемещении единичного положительного заряда. Электродвижущая сила, как и разность потенциалов, измеряется в вольтах (В).

При перемещении единичного положительного заряда по замкнутой цепи постоянного тока работа сторонних сил равна сумме ЭДС, действующих в этой цепи, а работа электростатического поля равна нулю.

Цепь постоянного тока можно разбить на отдельные участки. Те участки, на которых не действуют сторонние силы (т. е. участки, не содержащие источников тока), называются однородными. Участки, включающие источники тока, называются неоднородными.

При перемещении единичного положительного заряда по некоторому участку цепи работу совершают как электростатические (кулоновские), так и сторонние силы. Работа электростатических сил равна разности потенциалов Δφ₁₂ = φ₁ – φ₂ между начальной (1) и конечной (2) точками неоднородного участка. Работа сторонних сил равна по определению электродвижущей силе ₁₂, действующей на данном участке. Поэтому полная работа равна

Величину U₁₂ принято называть напряжением на участке цепи 1–2. В случае однородного участка напряжение равно разности потенциалов:

Немецкий физик Г. Ом в 1826 году экспериментально установил, что сила тока I, текущего по однородному металлическому проводнику (т. е. проводнику, в котором не действуют сторонние силы), пропорциональна напряжению U на концах проводника:

где R = const.

Величину R принято называть электрическим сопротивлением. Проводник, обладающий электрическим сопротивлением, называется резистором. Данное соотношение выражает закон Ома для однородного участка цепи: сила тока в проводнике прямо пропорциональна приложенному напряжению и обратно пропорциональна сопротивлению проводника.

В СИ единицей электрического сопротивления проводников служит ом (Ом). Сопротивлением в 1 Ом обладает такой участок цепи, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.

Проводники, подчиняющиеся закону Ома, называются линейными. Графическая зависимость силы тока I от напряжения U (такие графики называются вольт-амперными характеристиками, сокращенно ВАХ) изображается прямой линией, проходящей через начало координат. Следует отметить, что существует много материалов и устройств, не подчиняющихся закону Ома, например, полупроводниковый диод или газоразрядная лампа. Даже у металлических проводников при токах достаточно большой силы наблюдается отклонение от линейного закона Ома, так как электрическое сопротивление металлических проводников растет с ростом температуры.

Для участка цепи, содержащего ЭДС, закон Ома записывается в следующей форме:

Лабораторная работа 4. 

Цель работы:

Углубление знаний о законе Ома для участков цепи и о законе Ома для полной цепи. Применения правил Кирхгофа для расчета цепей постоянного тока.

 

Оборудование: учебно-лабораторный стенд «Законы постоянного тока», мультиметр, три-четыре резистора с известными сопротивлениями, два гальванических элемента разных типов, соединительные провода.

Введение

Постановка задачи о расчете цепи постоянного тока: «Зная величины действующих в цепи э.д.с., внутренние сопротивления источников тока и сопротивления всех элементов цепи, рассчитать силы токов на каждом участке цепи и падение напряжения на каждом элементе».

При решении этой задачи используются:

закон Ома для участка цепи

, (1)

I – сила тока, U – напряжение на участке цепи, R – сопротивление участка;

закон Ома для полной цепи

, (2)

I – сила тока, e - э.д.с. источника тока, R – сопротивление внешней цепи, r – внутреннее сопротивление источника тока.

Непосредственный расчет разветвленных цепей, содержащих несколько замкнутых контуров и несколько источников тока, производится с помощью двух правил Кихгофа.

Любая точка в разветвленной цепи, в которой сходится не менее трех проводников с током, называется узлом. При этом ток, входящий в узел, считается положительным, а ток, выходящий из узла, - отрицательным.

Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сила токов, сходящихся в узле, равна нулю:

(3)

Второе правило Кирхгофа: в любом замкнутом контуре, произвольно выбранном в разветвленной цепи, алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с., встречающихся в контуре:

(4)

Описание стенда «Законы постоянного тока»

В работе используется стенд, состоящий из двух источников тока (гальванических элементов), набора из четырёх резисторов с известными сопротивлениями, мультиметра и набора соединительных проводов.

1. При сборке электрических цепей необходимо обеспечить хороший контакт в каждом соединении.
2. Соединительные провода закручиваются под клеммы по часовой стрелке.
3. При измерении сил токов и напряжений щупы мультиметра должны быть плотно прижаты к клеммам.
4. Измерения производятся при кратковременном замыкании цепи кнопкой.
5. Не следует длительное время оставлять цепь в собранном состоянии.

Прежде всего, изучите правила измерений с помощью универсального электроизмерительного прибора – мультиметра.

 

Измерение, обработка и представление результатов измерений

Задание 1. Определение э.д.с. источников тока

 

Э.д.с. источника тока можно с достаточно большой степенью точности измерить непосредственно с помощью вольтметра. Но при этом следует иметь в виду, что при этом измеряемое напряжение меньше истинного значения э.д.с. на величину падения напряжения на самом источнике тока.

, (5)

где U – показания вольтметра.

Разница между истинным значением э.д.с. и измеренным напряжением при этом равна:

. (6)

При этом относительная погрешность измерения э.д.с. равна:

(7)

Обычно сопротивление источника тока (гальванического элемента) равно несколько Ом (например, 1Ом). Если даже сопротивление вольтметра мало (например, 100 Ом), то и в этом случае погрешность прямого измерения э.д.с. составляет всего » 1%. Хороший вольтметр, в том числе используемый в мультиметре, имеет сопротивление порядка 10⁶ Ом. Ясно, что при использовании такого вольтметра можно считать, что показание вольтметра практически равно измеряемой э.д.с источника тока.

1. Подготовьте мультиметр к измерению постоянного напряжения до 2 В.

2. Не вынимая гальванические элементы из креплений, измерьте и запишите их э.д.с. с точностью до сотых долей вольта.

3. Э.д.с. величина всегда положительная. Соблюдайте полярность при подключении мультиметра к источникам тока. Красный щуп мультиметра присоединяется к «+» источника тока.

 

Задание 2. Измерение внутреннего сопротивления источников тока

Внутреннее сопротивление источника тока можно вычислить с помощью закона Ома:

. (8)

1. Подготовьте мультиметр для измерения силы постоянного тока до 10(20) А.

2. Составьте электрическую цепь из последовательно соединенного источника тока, резистора (одного из набора) и амперметра.

3. Измерьте силу тока в цепи.

4. Рассчитайте и запишите величину внутреннего сопротивления источника.

5. Аналогичные измерения проделайте для другого элемента.

 

Задание 3. Расчёт электрической цепи постоянного тока

1. Соберите электрическую цепь по схеме, предложенной преподавателем (схемы 1-7).

2. Зачертите схему в отчет по работе и укажите номиналы выбранных резисторов.

3. С помощью правил Кирхгофа рассчитайте силы токов во всех ветвях цепи. Вычислите падения напряжений на каждом резисторе.

4. С помощью мультимета измерьте силу тока в доступном для измерения месте. Измерьте падение напряжения на каждом резисторе.

5. В выводе сравните измеренные и расчетные значения и укажите причины возможных расхождений.

 

Задание 4. Соединение источников тока в батареи

1. Источники тока могут соединятся в батареи двумя основными способами: параллельно и последовательно. Если источники соединяются последовательно, то их э.д.с. и внутренние сопротивления складываются:

(9)

При параллельном соединении одинаковых источников тока общая э.д.с. батареи равна э.д.с. одного источника, а внутреннее сопротивление батареи в n раз меньше внутреннего сопротивления одного источника тока:

(10)

Соберите цепи по схемам 8, 9, в которых реализуются обе схемы соединения. Рассчитайте и измерьте силу тока в цепи при этих соединениях. В выводе сравните расчетные и измеренные значения.

 

Лабораторная работа № 5 «Изучение соединений катушек индуктивности и конденсаторов»

Цель работы: Исследование влияний величины индуктивности катушки на электрические параметры цепи однофазного синусоидального напряжения, содержащей последовательно соединенные катушки индуктивности и конденсатор. Опытное определение условий возникновения в данной цепи резонанса напряжений.

Теоретические сведения.

Табл. 1. Паспортные данные электроизмерительных приборов.

№ п/п	Наименованное прибора	Заводской номер	Тип	Система измерения	Класс точности	Предел измерений	Цена деления
1	Вольтметр		Э34	ЭМ	1.0	300 В	10 В
2	Вольтметр		Э34	ЭМ	1.0	300 В	10 В
3	Вольтметр		Э34	ЭМ	1.0	50 В	2 В
4	Амперметр		Э30	ЭМ	1.5	5 А	0.2 А
5	Ваттметр		Д539	ЭД	0.5	6000 Вт	40 Вт

Цепь с последовательным соединением конденсатора и катушки с подвижным ферромагнитным сердечником изображена на рис. 1, а схема замещения этой цепи на рис. 2.

Для данной цепи справедливы следующие соотношения:

 

где U, I – действующие значения напряжения источника питания и тока;

z – полное сопротивление цепи;

r_K – активное сопротивление катушки, обусловленное активным сопротивлением провода катушки и потерями в стали ферромагнитного сердечника;

x – реактивное сопротивление;

x_LK – индуктивное сопротивление катушки;

x_C – емкостное сопротивление конденсатора;

φ_K – угол сдвига фаз между напряжением на катушке и током в ней;

φ – угол сдвига фаз между напряжением источника и током цепи;

ƒ – частота тока источника;

L_K – индуктивность катушки;

С – емкость конденсатора.

Ток отстает по фазе от напряжения при x_LK > x_C и опережает по фазе напряжение при x_LK < x_C.

При равенстве индуктивного и емкостного сопротивлений в цепи возникает резонанс напряжений, который характеризуется следующим:

1.     Реактивное сопротивление цепи x = 0. Полное ее сопротивление z = r_K, т.е. имеет минимальную величину.

2.     Ток совпадает по фазе с напряжением источника, так как при x = 0

 

3.     Ток имеет максимальную величину, так как сопротивление цепи является минимальным

4.     Падение напряжения на активном сопротивлении катушки равно приложенному напряжению, так как при z = r_K

5.     Напряжения на индуктивности и емкости равны, так как

При относительно малом по величине активном сопротивлении катушки () напряжения на индуктивности и на емкости будут превышать напряжение на активном сопротивлении, а следовательно, и напряжение источника. Действительно, при  и

,

где , т.е. и аналогично .

Таким образом, напряжения на индуктивной катушке и конденсаторе при резонансе напряжений могут значительно превысить напряжение источника, что опасно для изоляции катушки и конденсатора.

6.     Энергетический процесс при резонансе напряжений можно рассматривать как наложение двух процессов: необратимого процесса преобразования потребляемой от источника энергии в тепло, выделяемое в активном сопротивлении цепи, и обратимого процесса, представляющего собой колебания энергии внутри цепи: между магнитным полем катушки и электрическим полем конденсатора. Первый процесс характеризуется величиной активной мощности , а второй – величиной реактивной мощности

.

Колебаний энергии между источником питания и участком цепи, включающим катушку и конденсатор, не происходит и поэтому реактивная мощность всей цепи

.

Из условий возникновения резонанса  или  следует, что практически резонанс напряжений можно получить изменением:

a)  Индуктивности катушки;

b)  Емкости конденсатора;

c)  Частоты тока;

В данной работе резонанс напряжений получается за счет изменения индуктивности катушки перемещением ее ферромагнитного сердечника.

Ход работы:

Рабочее задание

1.  Собираем схему, изображенную на рис. 3.

В качестве источника питания используется источник однофазного синусоидального напряжения с действующим значением 36 В.

Катушка индуктивности конструктивно представляет собой совокупность трех отдельных катушек и подвижного ферромагнитного сердечника. Начала и концы каждой из трех катушек выведены на клеммную панель. Для увеличения диапазона изменений величины индуктивности катушки соединяются последовательно. В качестве емкости используется батарея конденсаторов.

2.  Процессы в цепи исследуются при постоянной емкости C = 40 мкФ и переменной индукции. В начале работы полностью вводим сердечник в катушку, что соответствует наибольшему значению индуктивности.

3.  Включив цепь под напряжение и постепенно выдвигая сердечник определяем максимальное значение тока , после чего устанавливаем сердечник в исходное положение.

4.  Медленно выдвигая сердечник, снимаем показания приборов для четырех точек до резонанса, точки резонанса и четырех точек после резонанса. Показания приборов заносим в табл. 2.

 

Табл. 2. Опытные данные. (примерные)

№ опыта	I	P		U	Uk	Uc
	А	кол-во дел.	Вт	В
1	1,0	5,5	13,75	36	120	83
2	1,5	12,5	31,25	36	168	121
3	2,0	19	47,5	36	198	168
4	2,5	29	72,5	36	231	208
5	3,0	41	102,5	36	260	246
6	3,1	44	110	36	260	255
7	3,0	40	100	36	239	246
8	2,5	28	70	36	186	208
9	2,0	17,5	43,75	36	135	165
10	1,5	11	27,5	36	99	125
11	1,0	5,5	13,75	36	60	91

5.  Вычислим величины:

.

Например, для первого случая при I = 1,0 А:

Вычисленные для всех случаев значения занесем в табл. 3.

 

Табл. 3. Вычисленные данные (примерные)

№ оп.	z	zK	rK	xLK	LK	UrK	ULK	xC	C	cos φ
	Ом				Гн	В		Ом	мкФ	о.е.
1	36	120	13,75	119,2	0,379	13,75	119,2	83	38,4	0,382
2	24	112	13,89	111,14	0,354	20,83	166,7	80,67	39,5	0,579
3	18	99	11,88	98,3	0,313	23,75	196,6	84	37,9	0,660
4	14,4	92,4	11,6	91,67	0,292	29	229,2	83,2	38,3	0,806
5	12	86,67	11,39	85,9	0,273	34,17	257,7	82	38,8	0,949
6	11,6	83,87	11,45	83,1	0,264	35,48	257,6	82,26	38,7	0,986
7	12	79,67	11,11	78,88	0,251	33,33	236,7	82	38,8	0,926
8	14,4	74,4	11,2	73,55	0,234	28	183,9	83,2	38,3	0,778
9	18	67,5	10,94	66,6	0,212	21,88	133,2	82,5	38,6	0,608
10	24	66	12,2	64,86	0,206	18,33	97,3	83,3	38,2	0,509
11	32,7	54,5	11,36	53,35	0,170	12,5	58,7	82,7	38,5	0,347

По вычисленным значениям строим графики зависимостей силы тока в цепи I, падения напряжения на конденсаторе U_C и катушке U_K, косинус угла сдвига фаз cos φ и полного сопротивления цепи z от индуктивности катушки L_K.

Строим векторные диаграммы тока и напряжений:

а). x_LK > x_C. Берем 3^ий результат измерений: I = 2.0 А, U_rK = 23.8 В, U_LK = 196.6 В, U_C = 168 В.

б). x_LK = x_C. Берем 6^ий результат измерений: I = 3.1 А, U_rK = 35.5 В, U_LK = 257.6 В, U_C = 255 В.

в). x_LK < x_C. Берем 9^ий результат измерений: I = 2.0 А, U_rK = 21.9 В, U_LK = 133.2 В, U_C = 165 В.

Вывод: при увеличении индуктивности катушки с 170 до 260 мГн полное сопротивление цепи z падает, а сила тока I, напряжения на конденсаторе U_C и катушке U_K, косинус угла сдвига фаз cos φ возрастают. Реактивное сопротивление катушки меньше сопротивления конденсатора, по-этому падение напряжения на катушке меньше, чем на конденсаторе, действие конденсатора пре-обладающее и общее напряжение U отстает от силы тока I(векторная диаграмма в).

При индуктивности катушки равной примерно 260 мГн, полное сопротивление цепи достигает наименьшего значения z = 11.6 Ом, сила тока при этом достигает наибольшего значения I = 3.1 А, а напряжения на катушке и конденсаторе выравниваются U_C = U_K =260 В, косинус угла сдвига фаз между напряжением и током равен 1. Реактивное сопротивление катушки и конденсатора равны, падения напряжения на обоих равны и общее напряжение синфазно силе тока(диаграмма б).

При дальнейшем увеличении индуктивности с 260 до 380 мГн полное сопротивление увеличивается, а сила тока, напряжения на катушке и конденсаторе, косинус угла сдвига фаз падают. Реактивное сопротивление катушки больше сопротивления конденсатора, поэтому падение напряжения на катушке больше, чем на конденсаторе, действие катушки преобладающее и общее напряжение U опережает силу тока I(диаграмма а).

 

 

     Лабораторная работа №6  Изучение линий магнитного поля.

Теоретические сведения:

Линии магнитной индукции

Для наглядности картины изменения вектора магнитной индукции при переходе от одной точки пространства к другой вводится понятие линий вектора магнитной индукции (силовых линий магнитного поля). Непрерывная линия, касательная к которой в любой ее точке задает направление вектора магнитной индукции , называется силовой линией магнитного поля. Густота силовых линий прямопропорциональна модулю вектора магнитной индукции.

На рисунке 7 показаны исследования магнитного поля вокруг полюсового магнита с помощью магнитных стрелок и картина силовых линий магнитного поля вокруг такого магнита.

Рис. 7

Магнитные стрелки можно заменить железными опилками, которые намагничиваются в поле данного магнита и становятся маленькими стрелками. (На картон, который кладут на магнит, насыпают опилки. При легком потряхивании картона опилки хорошо ориентируются.)

Поле, в каждой точке которого вектор магнитной индукции  постоянен по величине и направлению, называют однородным. На рисунке 8 приведены способы изображения силовых линий однородного магнитного поля, направленного вправо (а), влево (б), в плоскость листа от нас (в) и из него к нам (г).

Рис. 8

 

Цель работы: убедиться в том, что однородное магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Оборудование: катушка-моток, штатив, источник постоянного тока, реостат, ключ, соединительные провода, магнит дугообразный или полосовой.

Примечание. Перед работой убедитесь, что движок реостата установлен на максимальное сопротивление.

 

                        Тренировочные задания и вопросы

1. В 1820 г. Х. Эрстед обнаружил действие электрического тока на _____
2. В 1820 г. А. Ампер установил, что два параллельных проводника с током _____
3. Магнитное поле может быть создано:  а) _____   б) _____   в) _____
4. Что является основной характеристикой магнитного поля? В каких единицах в системе СИ измеряется?
5. За направление вектора магнитной индукции В в том месте, где расположена рамка с током, принимают _____
6. В чем состоит особенность линий магнитной индукции?
7. Правило буравчика позволяет _____
8. Формула силы Ампера имеет вид:   F= _____
9. Сформулируйте правило левой руки.
10. Максимальный вращающийся момент М, действующий на рамку с током со стороны магнитного поля, зависит от _____

 

Ход работы

1. Соберите цепь по рисунку, подвесив на гибких проводах

катушку-моток.

2. Расположите дугообразный магнит под некоторым острым углом  α(например 45°) к плоскости катушки-мотка и, замыкая ключ, пронаблюдайте движение катушки - мотка.
3. Повторите опыт, изменив сначала полюсы магнита, а затем направление электрического тока.
4. Зарисуйте катушку-моток и магнит, указав направление магнитного поля, направление электрического тока и характер движения катушки-мотка.
5. Объясните поведение катушки-мотка с током в однородном магнитном поле.
6. Расположите дугообразный магнит в плоскости катушки-мотка (α=0°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.
7. Расположите дугообразный магнит перпендикулярно плоскости катушки-мотка (α=90°). Повторите действия, указанные в пунктах 2-5.

Вывод: _____

 

                              Дополнительное задание

1. Изменяя силу тока реостатом, пронаблюдайте, изменяется ли характер движения катушки-мотка с током в магнитном поле?

 

Рис. 1

 

Лабораторная работа №7 Изучение явления электромагнитной индукции

Теоретические сведения:

а) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вдвигается и выдвигается постоянный магнит. На гальванометре будет отклонение стрелки, и оно будет тем больше, чем быстрее происходит вдвижение и выдвижение. При изменении полюсов магнита направление отклонения стрелки изменится.

б) В соленоид, замкнутый на гальванометр, вставлена катушка (другой соленоид), через которую пропускается ток. При включении и выключении (т.е. при любом изменении тока) происходит отклонение стрелки гальванометра. Направление отклонения изменяется при включении – выключении, уменьшении – увеличении тока, вдвигании – выдвигании катушек.

Явление электромагнитной индукции заключается в том, что в замкнутом проводящем контуре при изменении потока магнитной индукции, охватываемого этим контуром, возникает индукционный (наведенный) электрический ток.

Возникновение индукционного тока означает, что в контуре действует электродвижущая сила ?_i – ЭДС индукции.

I

 ЭДС индукции, возникающая в проводящем контуре, равна скорости изменения магнитного потока через площадь, ограниченную этим контуром – закон Фарадея.

В 1834 г. Э.Х.  Ленц установил закон, позволяющий определить направление индукционного тока.

Правило Ленца: индукционный ток в контуре всегда имеет такое направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению магнитного потока, вызвавшего этот индукционный ток.

 

Знак минус в законе Фарадея является математическим выражением правила Ленца.

Если контур, в котором индуцируется ЭДС, состоит не из одного витка, а из N витков (например, соленоид), то если витки соединены последовательно, ?_i будет равна сумме ЭДС, индуцируемых в каждом из витков в отдельности:

- потокосцепление или полный магнитный поток.

Если Ф₁ =Ф₂=…=Ф_n, то

Т.к. Ф_B=BScosα, то для того чтобы изменить магнитный поток Ф можно изменить:

1) магнитное поле ;

2) площадь S;

3) угол α.

 

Лабораторная работа №7

 

Цель работы - изучить явление электромагнитной индукции.

Приборы: миллиамперметр, катушка-моток, магнит дугообразный, магнит полосовой.

 

Порядок выполнения работы

I.Выяснение условий возникновения индукционного тока.

1.Подключите катушку-моток к зажимам миллиамперметра.  

2. Наблюдая за показаниями  миллиамперметра, отметьте, возникал ли индукционный ток, если:

-     в неподвижную катушку  вводить магнит,

-      из неподвижной катушки  выводить магнит,

-     магнит разместить внутри катушки, оставляя неподвижным.

3. Выясните, как изменялся магнитный поток Ф, пронизывающий катушку в каждом случае. Сделайте вывод о том, при каком условии в катушке возникал индукционный ток.

 

II. Изучение направления индукционного тока.

1.О направлении тока в катушке можно судить по тому, в какую сторону от нулевого деления отклоняется стрелка миллиамперметра.

Проверьте, одинаковым ли будет направление индукционного тока, если:

-     вводить в катушку и удалять магнит северным полюсом;

-     вводить магнит  в катушку магнит северным полюсом и южным полюсом.

2.Выясните, что изменялось в  каждом случае. Сделайте вывод о том, от чего зависит направление индукционного тока.

 

III. Изучение величины индукционного тока.

1.Приближайте магнит к неподвижной катушке медленно и  с большей скоростью, отмечая, на сколько делений (N₁, N₂) отклоняется стрелка миллиамперметра.

2. Приближайте магнит  к катушке  северным полюсом. Отметьте, на сколько делений  N₁ отклоняется стрелка миллиамперметра.

К  северному полюсу дугообразного магнита приставьте северный полюс полосового магнита. Выясните, на сколько делений  N₂ отклоняется стрелка миллиамперметра при приближении одновременно двух магнитов.

3.Выясните, как изменялся магнитный поток в каждом случае. Сделайте вывод, от чего зависит величина индукционного тока.

 

Ответьте на вопросы:

1.В катушку из медного провода сначала быстро, затем медленно вдвигают магнит. Одинаковый ли электрический заряд при этом переносится через сечение провода катушки?

2.Возникнет ли индукционный ток в  резиновом кольце при введении в него магнита?

 

Лабораторная работа № 8. Исследование зависимости силы тока от электроемкости конденсатора в цепи переменного тока.

Теоретические сведения:

Закон Ома для цепи переменного тока. Мощность.

соотношения, связывающие амплитуды переменных токов и напряжений на резисторе, конденсаторе и катушке индуктивности:

(*)

Эти соотношения во виду напоминают закон Ома для участка цепи постоянного тока, но только теперь в них входят не значения постоянных токов и напряжений на участке цепи, а амплитудные значения переменных токов и напряжений.

Соотношения (*) выражают закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего один из элементов R, L и C. Физические величины R, и ωL называются активным сопротивлением резистора, емкостным сопротивлением конденсатора и индуктивным сопротивлением катушки.

При протекании переменного тока по участку цепи электромагнитное поле совершает работу, и в цепи выделяется джоулево тепло. Мгновенная мощность в цепи переменного тока равна произведению мгновенных значений тока и напряжения: p = J · u. Практический интерес представляет среднее за период переменного тока значение мощности

Здесь I₀ и U₀ – амплитудные значения тока и напряжения на данном участке цепи, φ – фазовый сдвиг между током и напряжением. Черта означает знак усреднения. Если участок цепи содержит только резистор с сопротивлением R, то фазовый сдвиг φ = 0:

Для того, чтобы это выражение по виду совпадало с формулой для мощности постоянного тока, вводятся понятия действующих или эффективных значений силы тока и напряжения:

Средняя мощность переменного тока на участке цепи, содержащем резистор, равна

Если участок цепи содержит только конденсатор емкости C, то фазовый сдвиг между током и напряжением Поэтому

Аналогично можно показать, что P_L = 0.

Таким образом, мощность в цепи переменного тока выделяется только на активном сопротивлении. Средняя мощность переменного тока на конденсаторе и катушке индуктивности равна нулю.

Рассмотрим теперь электрическую цепь, состоящую из последовательно соединенных резистора, конденсатора и катушки. Цепь подключена к источнику переменного тока частоты ω. На всех последовательно соединенных участках цепи протекает один и тот же ток. Между напряжением внешнего источника e (t) и током J (t) возникает фазовый сдвиг на некоторый угол φ. Поэтому можно записать

Такая запись мгновенных значений тока и напряжения соответствует построениям на векторной диаграмме (рис. 2.3.2). Средняя мощность, развиваемая источником переменного тока, равна

Как видно из векторной диаграммы, U_R = ₀ · cos φ, поэтому Следовательно, вся мощность, развиваемая источником, выделяется в виде джоулева тепла на резисторе, что подтверждает сделанный ранее вывод.

соотношение между амплитудами тока I₀ и напряжения ₀ для последовательной RLC-цепи:

Величину

называют полным сопротивлением цепи переменного тока. Формулу, выражающую связь между амплитудными значениями тока и напряжения в цепи, можно записать в виде

ZI0 = 0.

(**)

Это соотношение называют законом Ома для цепи переменного тока. Формулы (*), приведенные в начале этого параграфа, выражают частные случаи закона Ома (**).

Понятие полного сопротивления играет важную роль при расчетах цепей переменного тока. Для определения полного сопротивления цепи во многих случаях удобно использовать наглядный метод векторных диаграмм. Рассмотрим в качестве примера параллельный RLC-контур, подключенный к внешнему источнику переменного тока (рис. 2.4.1).

Лабораторная работа № 8

Цель работы:  изучить влияние электроёмкости на силу переменного тока. Оборудование: набор неполярных конденсаторов известной ёмкости, регулируемый источник переменного тока ЛАТР, миллиамперметр с пределом измерения до 100 мА переменного тока, вольтметр с пределом измерения до 75 В переменного напряжения, соединительные провода. Теория    Постоянный ток не проходит через конденсатор, так как между его обкладками находится диэлектрик. Если конденсатор включить в цепь постоянного тока, то после зарядки конденсатора ток в цепи прекратится.    Если же включить конденсатор в цепь переменного тока, то заряд конденсатора (q=CU) вследствие изменения напряжения непрерывно изменяется, поэтому в цепи течёт переменный ток. Сила тока тем больше, чем больше ёмкость конденсатора и чем чаще происходит его перезарядка, т.е. чем больше частота переменного тока.    Сопротивление, обусловленное наличием электрической ёмкости в цепи переменного тока, называют ёмкостным сопротивлением XC. Оно обратно пропорционально ёмкости С и круговой частоте ω:     или, с учётом, что ω=2πν, где ν- частота переменного тока,   (1).                                                                                                                                                                                                        Из закона Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление, действующее значение тока в цепи равно:    (2).    Из формулы (2) следует, что в цепи с конденсатором переменный ток изменяется прямо пропорционально изменению ёмкости конденсатора при неизменной частоте тока.    Графически зависимость силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока изображается прямой линией (рис.1).      В этом и предстоит убедиться опытным путём в данной работе. Ход работы.    1. Собрать электрическую схему согласно рисунка 2 и перечертить её в тетрадь:    2. Подготовить таблицу для результатов измерений и вычислений:  Частота тока ν, Гц  Напряжение на конденсаторе U, В  Ёмкость конденсатора    С, мкФ  Ток в цепи I, мА Ёмкостное сопротивление , Ом измеренное вычисленное              50              50                      3. Для каждого конденсатора из набора измерить силу тока при напряжении 50 В.                                      4. В каждом опыте рассчитать ёмкостное сопротивление по закону Ома для участка цепи переменного тока: , здесь I - действующее значение тока в мА, U=50 В - действующее значение напряжения.    5. В каждом опыте вычислите ёмкостное сопротивление по заданным значениям частоты переменного тока ν=50Гц и ёмкости конденсатора С: , здесь С - ёмкость в мкФ.                                                                                             6. Сравните результаты расчётов в п.4 и в п.5 и сделайте вывод о выполнимости закона Ома для участка цепи переменного тока содержащего электроёмкость с учётом погрешности измерений.            7. Постройте график зависимости силы тока от электроёмкости конденсатора в цепи переменного тока:    8. Запишите вывод по результатам опытов и ответьте на контрольные вопросы. Контрольные вопросы. 1. Почему постоянный ток не проходит через конденсатор? 2. Какое сопротивление называется ёмкостным? Почему оно является реактивным сопротивлением? 3. От чего и как зависит ёмкостное сопротивление? 4. Выполняется ли закон Ома для участка цепи переменного тока, содержащего ёмкостное сопротивление? 5. Напряжение на конденсаторе изменяется по закону . Запишите уравнение переменного тока в цепи с конденсатором.

 

Лабораторная работа № 9. Изучение законов геометрической и волновой оптики.

Цель работы: сформулировать гипотезу исследования, выделить уровни сложности изучаемой физической системы, исследовать дифракцию Френеля, дифракцию Фраунгофера и влияние дифракции света на разрешающую способность оптических приборов.

Теоретические сведения:

Это приближенное рассмотрение распространения света в предположении, что свет распространяется вдоль некоторых линий - лучей (лучевая оптика). В этом приближении пренебрегают конечностью длин волн света, полагая, что λ → 0.

Геометрическая оптика позволяет во многих случаях достаточно хорошо рассчитать оптическую систему. Но в ряде случаев реальный расчет оптических систем требует учета волновой природы света, расчет в рамках геометрической оптики дает приближенный результат, иногда неверный даже на качественном уровне.

Закон прямолинейного распространения света: в оптически однородной среде свет распространяется прямолинейно. Опытным доказательством этого закона могут служить резкие тени, отбрасываемые непрозрачными телами при освещении светом источника достаточно малых размеров («точечный источник»). Другим доказательством может служить известный опыт по прохождению света далекого источника сквозь небольшое отверстие, в результате чего образуется узкий световой пучок. Этот опыт приводит к представлению о световом луче как о геометрической линии, вдоль которой распространяется свет. Следует отметить, что закон прямолинейного распространения света нарушается и понятие светового луча утрачивает смысл, если свет проходит через малые отверстия, размеры которых сравнимы с длиной волны. Таким образом, геометрическая оптика, опирающаяся на представление о световых лучах, есть предельный случай волновой оптики при λ → 0. На границе раздела двух прозрачных сред свет может частично отразиться так, что часть световой энергии будет распространяться после отражения по новому направлению, а часть пройдет через границу и продолжит распространяться во второй среде.

Закон отражения света: падающий и отраженный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости (плоскость падения). Угол отражения γ равен углу падения α.

Закон преломления света: падающий и преломленный лучи, а также перпендикуляр к границе раздела двух сред, восстановленный в точке падения луча, лежат в одной плоскости. Отношение синуса угла падения α к синусу угла преломления β есть величина, постоянная для двух данных сред:

Постоянную величину n называют относительным показателем преломления второй среды относительно первой. Показатель преломления среды относительно вакуума называют абсолютным показателем преломления.

Относительный показатель преломления двух сред равен отношению их абсолютных показателей преломления:

Законы отражения и преломления находят объяснение в волновой физике. Согласно волновым представлениям, преломление является следствием изменения скорости распространения волн при переходе из одной среды в другую. Физический смысл показателя преломления – это отношение скорости распространения волн в первой среде υ₁ к скорости их распространения во второй среде υ₂:

Абсолютный показатель преломления равен отношению скорости света c в вакууме к скорости света υ в среде:

Рис 3.1.1 иллюстрирует законы отражения и преломления света.

Среду с меньшим абсолютным показателем преломления называют оптически менее плотной.

При переходе света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную n₂ < n₁ (например, из стекла в воздух) можно наблюдать явление полного отражения, то есть исчезновение преломленного луча. Это явление наблюдается при углах падения, превышающих некоторый критический угол α_пр, который называется предельным углом полного внутреннего отражения (см. рис. 3.1.2).

Для угла падения α = α_пр  sin β = 1; значение sin α_пр = n₂ / n₁ < 1.

Если второй средой является воздух (n₂ ≈ 1), то формулу удобно переписать в виде

где n = n₁ > 1 – абсолютный показатель преломления первой среды.

Для границы раздела стекло–воздух (n = 1,5) критический угол равен α_пр = 42°, для границы вода–воздух (n = 1,33) α_пр = 48,7°.

 

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, осветитель монохроматического света со спектральной лампой СНА-2 и коллиматором, регулируемая щель, узкая нить, двойная щель, отсчетный микроскоп, линза.

Под дифракцией света следует понимать любое отклонение от прямолинейного распространения световых лучей, если только это отклонение не является следствием обычных законов геометрической оптики – законов отражения и преломления. Дифракция световых волн имеет место всегда, когда на их пути находится какая-либо преграда. Дифракционная картина (чередование максимумов и минимумов интенсивности света за преградой) является следствием интерференции дифрагированных на преграде световых волн и сосредоточена в очень узкой области пространства на границе между светом и тенью от преграды. Выявить дифракционную картину в этом случае достаточно сложно, поэтому во многих случаях распространение света  исследуют без учета волновых свойств,  применяя законы геометрической оптики. Однако для широкого класса задач законы геометрической оптики становятся неприемлемыми.

Неизбежно возникает вопрос: При каких условиях для изучения прохождения света через преграду допустимо применение законов геометрической оптики, а когда необходимо привлечение волновой теории дифракции, разработанной Френелем? Ответ на этот вопрос дает именно волновая теория дифракции Френеля. Кроме этого, она вскрывает глубокий смысл предельного перехода от волновой теории к геометрической оптике.

Волновые свойства излучения  следует учитывать, если линейные размеры препятствия на пути световой волны того же порядка, что и размер, например, первой зоны Френеля

 

,

где a₁ и a₂ – расстояния от источника света до преграды и от преграды до плоскости наблюдения соответственно; l - длина волны света.

Если же размер препятствия  значительно больше размера первой зоны Френеля, то выявить дифракцию трудно - изображение оказывается практически таким, как это требуют законы геометрической оптики.

На практике  часто требуется определить, в каком случае необходимо учитывать дифракционные (волновые)  явления.  С этой целью вводят безразмерный параметр Р, т.е. исследуют отношение радиуса первой зоны Френеля r₁ к размеру преграды d, т.е. P = r₁ / d. Величина Р называется параметром дифракции.

Если d >> r₁, то P ® 0. В этом случае преграда считается большой.

Если d ≤ r₁, то P ¹ 0. Размер преграды мал. Необходимо учитывать волновые свойства  света.

Отсюда нетрудно получить несколько следствий, имеющих принципиальное значение.

При l ® 0  r₁ равно нулю, т.е. всегда Р ® 0, т.е. параметр дифракции мал при любых конечных расстояниях a₁ и a₂. Волновые свойства при таких условиях наблюдения заметить трудно. Следовательно, условие l ® 0 можно считать основным при переходе от волновой оптики к геометрической.

Если l велико, то при достаточно малых a₂ также может быть Р ® 0. Это значит, что при больших l и малых расстояниях a₁ и a₂ также реализуются условия геометрической оптики, но по мере увеличения a₂ и a₁ нужно все в большей степени учитывать явление дифракции.

При изменении a₂ в  n раз и размера преграды в  раз получится тот же параметр дифракции, и, следовательно, условия наблюдения дифракции останутся прежними.

Дифракционные явления по своему характеру разбиваются на два больших класса.

1. Если a₁ ¹ ¥ и a₂ ¹ ¥ или одно из расстояний не равно бесконечности, то наблюдается дифракция в непараллельных лучах света – дифракция Френеля. Дифракционная картина не локализована.

2. Если a₁ = ¥ и a₂ = ¥, то дифракция происходит в параллельных лучах. Это дифракция Фраунгофера. Дифракционная картина локализуется в бесконечности.

Дифракция Фраунгофера имеет большое значение для качества работы оптических приборов, например: телескопа, микроскопа, фотографического объектива и т.п., т.е. приборов, работающих с параллельными пучками света.

 

Лабораторная работа № 10. Изучение треков заряженных частиц по фотографиям.

Цель работы: объяснить характер движения заряженных частиц.

Теоретические сведения:

Излучение электромагнитных волн в диапазоне радиоволн происходит при ускоренном движении электронов, например при колебаниях электронов в антенне радиопередатчика. Можно предположить, что излучение видимого света нагретыми телами также обусловлено колебательными движениями электронов, только с частотами гораздо более высокими, чем в антенне радиопередатчика.

Проверка правильности такого предположения могла быть выполнена путем сравнения теоретически предсказываемого электромагнитной теорией закона распределения энергии в сплошном спектре излучения нагретого тела с наблюдаемым экспериментально.

Пример экспериментально полученной кривой распределения энергии в спектре излучения нагретого тела представлен на рисунке 296,а. По оси абсцисс отложены длины волн, по оси ординат - мощность излучения единицы поверхности светящегося тела в единичном интервале длин волн.

Попытка теоретического вывода закона распределения энергии в сплошном спектре была сделана английским физиком Д. Рэлеем. Рэлей рассматривал излучение в замкнутом объеме как систему стоячих монохроматических волн.

Полученный из таких предположений закон распределения энергии в сплошном спектре излучения представлен на рисунке 296,б.

По этому закону мощность излучения должна непрерывно возрастать с уменьшением длины волны излучения. Это значит, что в тепловом излучении должно быть много ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, чего на самом деле не наблюдается. Если бы этот закон выполнялся во всем диапазоне частот, то полная энергия излучения светящегося тела была бы бесконечно большой.

Гипотеза Планка. Стремясь преодолеть затруднения классической теории при объяснении излучения нагретого твердого тела, немецкий физик Макс Планк в 1900 г. высказал гипотезу, которая положила начало подлинной революции в теоретической физике. Смысл этой гипотезы заключается в том, что запас энергии колебательной системы, находящейся в равновесии с электромагнитным излучением, не может принимать любые значения. Энергия элементарных систем, поглощающих и излучающих электромагнитные волны, обязательно должна быть равна целому кратному некоторого определенного количества энергии.

Минимальное количество энергии, которое система может поглотить или излучить, называется квантом энергии. Энергия кванта должна быть пропорциональна частоте колебаний :

.

Коэффициент пропорциональности в этом выражении носит название постоянной Планка. Постоянная Планка равна 6,626·10^-34 Дж·с.

Исходя из этой новой идеи, Планк получил закон распределения энергии в спектре, хорошо согласующийся с экспериментальными данными. Хорошее согласие теоретически предсказанного закона с экспериментом было основательным подтверждением квантовой гипотезы Планка.

Открытие фотоэффекта. Гипотеза Планка о квантах послужила основой для объяснения явления фотоэлектрического эффекта, открытого в 1887 г. немецким физиком Генрихом Герцем.

Явление фотоэффекта обнаруживается при освещении цинковой пластины, соединенной со стержнем электрометра. Если пластине и стержню передан положительный заряд, то электрометр не разряжается при освещении пластины . При сообщении пластине отрицательного электрического заряда электрометр разряжается, как только на пластину попадает ультрафиолетовое излучение . Этот опыт доказывает, что с поверхности металлической пластины под действием света могут освобождаться отрицательные электрические заряды. Измерение заряда и массы частиц, вырываемых светом, показало, что эти частицы - электроны.

Явление испускания электронов веществом под действием электромагнитного излучения называется фотоэффектом.

Законы фотоэффекта. Количественные закономерности фотоэлектрического эффекта были установлены выдающимся русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым (1839-1896) в 1888-1889 гг. Используя вакуумный стеклянный баллон с двумя электродами , он исследовал зависимость силы тока в баллоне от напряжения между электродами и условий освещения электрода.

53. Атомное ядро. Строение атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи ядра. Удельная энергия связи и прочность ядер.

Атом – это ядро из протонов и нейтронов, вокруг которого вращаются электроны. Размеры атомов составляют тысячные доли микрона. Но существуют и сверх гигантские «атомы» диаметром около 10 километров. Впервые подобный «атом» был открыт в 1967 году, а сейчас их известно более тысячи. Это нейтронные звезды – остатки сверхновых, которые являются фактически огромными атомными ядрами, состоящими на 90% из нейтронов и на 10% из протонов, и окружены «атмосферой» из электронов.

В 1932г. после открытия  протона и нейтрона учеными Д.Д. Иваненко и В. Гейзенберг (Германия) была выдвинута протонно-нейтронная модель ядра атома.



Согласно этой модели:
- ядра всех химических элементов состоят из нуклонов: протонов и нейтронов
- заряд ядра обусловлен только протонами
- число протонов в ядре равно порядковому номеру элемента
- число нейтронов равно разности между массовым числом и числом протонов (N=A-Z)

Условное обозначение ядра атома химического элемента:

X – символ химического элемента

А – массовое число, которое показывает :
-  массу ядра в целых атомных единицах массы  (а.е.м.)
(1а.е.м. = 1/12 массы атома углерода)
-  число нуклонов в ядре
- (A = N + Z)  , где N – число нейтронов в ядре атома

Z – зарядовое число, которое показывает:
- заряд ядра в элементарных электрических зарядах (э.э.з.)
( 1э.э.з. = заряду электрона = 1,6 х 10 -19 Кл)
- число протонов
- число электронов в атоме
- порядковый номер в таблице Менделеева

Масса ядра всегда меньше суммы масс покоя свободных протонов и нейтронов, его составляющих.
Это объясняется тем, что протоны и нейтроны в ядре очень сильно притягиваются друг к другу. Чтобы разъединить их требуется затратить большую работу. Поэтому полная энергия покоя ядра не равна энергии покоя составляющих его частиц. Она меньше на величину работы по преодолению ядерных сил притяжения.
Разность между массой ядра и суммой масс протонов и нейтронов называется дефектом масс.

 

Оборудование:

• фотографии треков заряженных частиц, полученных в камере Вильсона, пузырьковой камере и фотоэмульсии.

Пояснения

При выполнении данной лабораторной работы следует помнить, что:

1. длина трека тем больше, чем больше энергия частицы (и чем меньше плотность среды);
2. толщина трека тем больше, чем больше заряд частицы и чем меньше ее скорость;
3. при движении заряженной частицы в магнитном поле трек ее получается искривленным, причем радиус кривизны трека тем больше, чем больше масса и скорость частицы и чем меньше ее заряди модуль индукции магнитного поля:
4. частица двигалась от конца трека с большим радиусом кривизны к концу с меньшм радиусом кривизны (радиус кривизны по мере движения уменьшается, так как из-за сопротивления среды уменьшается скорость частицы).

Указания к работе

Задание 1. На двух из трех представленных вам фотографий (рис. 1, 2 и 3) изображены треки частиц, движущихся в магнитном поле. Укажите на каких. Ответ обоснуйте.

Задание 2. Рассмотрите фотографию треков α-частиц, двигавшихся в камере Вильсона (рис. 1), и ответьте на данные ниже вопросы:

1. В каком направлении двигались α-частицы?
2. Длина треков α-частиц примерно одинакова. О чем это говорит?
3. Как менялась толщина трека по мере движения частиц? Что из этого следует?

Задание 3. На рисунке 2 дана фотография треков α-частиц в камере Вильсона, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:

1. Почему менялись радиус кривизны и толщина треков по мере движения α-частиц?
2. В какую сторону двигались частицы?

Задание 4. На рисунке 190 дана фотография трека электрона в пузырьковой камере, находившейся в магнитном поле. Определите по этой фотографии:

1. Почему трек имеет форму спирали?
2. В каком направлении двигался электрон?
3. Что могло послужить причиной того, что трек электрона на рисунке 3 гораздо длиннее треков α-частиц на рисунке 2

 

Литература:

 

Основные источники:

1.    Дмитриева В.Ф. Физика: учебник. – М., 2010.

 

Дополнительные источники:

1.    Громов С.В. Шаронова Н.В. Физика, 10—11: Книга для учителя. – М., 2004. 

2.    Кабардин О.Φ., Орлов В.А. Экспериментальные задания по физике. 9—11 классы: учебное пособие для учащихся общеобразовательных учреждений. – М., 2001.

3.    Касьянов В.А. Методические рекомендации по использованию учебников В.А.Касьянова «Физика. 10 кл.», «Физика. 11 кл.» при изучении физики на базовом и профильном уровне. – М., 2006.

4.    Касьянов В.А. Физика. 10, 11 кл. Тематическое и поурочное планирование. – М., 2002.

5.    Лабковский В.Б. 220 задач по физике с решениями: книга для учащихся 10—11 кл. общеобразовательных учреждений. – М., 2006.

6.    Федеральный компонент государственного стандарта общего образования / Министерство образования РФ. – М., 2004.

7.    Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И. Физика. Учебник для 10 кл. – М., 2005.

8.    Генденштейн Л.Э. Дик Ю.И. Физика. Учебник для 11 кл. – М., 2005.

9.    Самойленко П.И., Сергеев А.В. Сборник задач и вопросы по физике: учеб. пособие. – М., 2003.

10.    Самойленко П.И., Сергеев А.В. Физика (для нетехнических специальностей): учебник. – М., 2003.

 

 

Интернет-ресурсы:

 

            1. http://www.consultant.ru

            2. http://www.garant.ru

            3. http://www.akdi.ru

            4. http://ru.wikipedia.org