Методические указания к выполнению лабораторных занятий по дисциплине «физика» Алмалык 2020

Порядок выполнения работы

1. Собирают электрическую цепь по схеме (рис.4.1).

2. Подключают схему к источнику постоянного тока. Измеряют ток и напряжение и определяют омическое сопротивление R катушки.
3. Переключают схему на источник переменного тока и напряжения. Затем определяют полное сопротивление катушки Z=U_эфф/I_эфф. Полное сопротивление определяют при пяти знаниях напряжения.
4. Подставляя в формулу (4.14) значения Z и R находят индуктивность L.
5. По формуле (4.15) определяют tg, т.е. тангенс угла сдвига фаз между напряжением и током, а затем и угол .
6. В катушку вставляют сердечник и определяют таким же образом L с сердечком. Затем определяют  по формуле:
=L_{с серд.}/L_{без серд.}

№

R, Ом

Без сердечника

С сердечником

Lбез серд.

L с серд.

tg





Iэфф

Uэфф

Z

Iэфф

Uэфф

Z

1.

2.

3.

4.

5.

Контрольные вопросы

1. Расскажите опыт Фарадея.

2. Расскажите правила Ленца.
3. Что такое ЭДС самоиндукции и индуктивность? Единицы их измерения.
4. Что такое индуктивное сопротивление и единица его измерения?
5. Что такое магнитная проницаемость среды?
6. Что такое переменный ток и эффективное значение тока?
Лабораторная работа № 15


Определение горизонтальной составляющей
напряженности магнитного поля Земли


Цель работы: Ознакомление с одним из методов определения горизонтальной составляющей магнитного поля Земли. Изучение устройства тангенсбуссоли.
Приборы и принадлежности: Тангенсбуссоль, источник постоянного тока, реостат, амперметр, переключатель.


Теоретические сведения
Вокруг проводника с током всегда существует магнитное поле тока. Если возьмем n круговых проводников с радиусом кольца R и пропустим через них ток I, то магнитная индукция B в центре круга, выраженная в международной системе единиц СИ, по закону Био-Савара-Лапласа определится так:
B_oIn(2R), (5.1)
где m – относительная магнитная проницаемость среды; m_o – магнитная постоянная (абсолютная магнитная проницаемость вакуума m_o4p10^–7 Вс(Ам).
Для напряженности Н магнитного поля в центре круга получим следующее выражение:
HB_oIn(2R). (5.2)

Направление вектора напряженности магнитного поля в центре кругового проводника перпендикулярно плоскости, в которой расположен круговой проводник. Магнитная стрелка, помещенная в центре круга, стремится расположиться перпендикулярно плоскости круга (рис. 5.1). Однако на магнитную стрелку будет влиять не только магнитное поле тока, но и магнитное поле Земли. Если расположить плоскость кругового проводника в плоскости магнитного меридиана Земли, то вектор горизонтальной составляющей напряженности поля Земли H_o будет перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля тока H. Таким образом, на стрелку будет действовать взаимно перпендикулярные магнитные поля с векторами магнитной напряженности H и H_o и магнитная стрелка, помещенная в центре круга, повернется на некоторый угол a по отношению к магнитному меридиану. Ось магнитной стрелки будут совпадать с направлением результирующего вектора напряженности Н_рез, являющегося геометрической суммой векторов Н и Н_o.
Напряженность Н_o в данном месте Земли есть величина постоянная. Величина напряженности Н, как это видно из формулы (5.2), будет зависеть от силы тока I. Угол отклонения a будет тем больше, чем больше сила тока I. Из рис.5.1 находим, что
НН_otga.
Подставляя в это выражение значение Н из формулы (5.2), получим
In2RН_оtga.
Откуда
Н_оIn(2Rtga). (5.3)
Выражение (5.3) позволяет также получить формулу для определения силы тока, протекающего по круговому проводнику
I2RH_otgan. (5.4)
Поскольку все величины, стоящие перед tga в выражении (5.4), являются постоянными для данного прибора и данного места Земли, то формулу (5.4) можно переписать так
ICtga, (5.5)
где С2RH_on (5.6) постоянный коэффициент, называемый константой тангенс буссоли. Из формулы (5.5) видно, что данный прибор можно использовать для измерений величины тока, если известна константа C. Так как величина измеряемого тока пропорциональна тангенсу угла отклонения стрелки, прибор называют тангенсбуссолью или тангенсгальванометром.


Экспериментальная часть
Эксперимент проводится с помощью электрической схемы показанной на рис. 5.2. Где А – амперметр, R – реостат, Т_б – тангенсбуссоль, П – переключатель,  – источник постоянного тока. Переключатель изменяет направление тока проходящего через тангенсбуссоль.
Используемый в работе прибор – тангенсбуссоль представляет собой кольцевой соленоид, на которой намотаны n витков медного проводника (рис. 5.2). Своими концами проводник присоединен к двум клеммам, служащим для подключения тангенсбуссоли к электрической цепи. В центре кольцевого соленоида на горизонтальной панели расположена магнитная стрелка (буссоль).


Порядок выполнения работы
1. Собрать электрическую схему согласно рис. 5.2.
2. Установить тангенсбуссоль так, чтобы ее витки были размещены в плоскости магнитного меридиана Земли. В этом случае один из концов стрелки должен находиться на 0 или 180.
3. Включить источник ЭДС и установить реостатом силу тока в 0,1 А. Затем определить по лимбу угол поворота стрелки буссоли a.
4. Не смещая тангенсбуссоль и не меняя положения ползунка реостата, изменить посредством переключателя П направление тока и отсчитать снова угол поворота стрелки буссоли a. По двум значениям a и a определить среднее значение угла поворота a:
a(aa)2.
5. Опыт согласно пунктам 3, 4 повторить для различных значений сил тока (0,1; 0,2; 0,3; 0,4 А). Для каждого значения сил тока вычислить среднее значение угла поворота a₁a₄.
6. Определить по таблице значения tga₁, tga₂, tga₃, tga₄, а затем, зная количество витков n и радиус витков катушки тангенсбуссоли R по формуле (5.3) для каждого значения сил тока найти значение H_o.
7. По данным отдельных измерений H_o вычислить его среднее значение _o>(H_o1H_o2H_o3H_o4)N, абсолютную ошибку DН_o(_o>–H_oi), и относительную ошибку (_o>_o>)100%.
8. Результат измерений и вычислений записываем в виде:
H_o_o><H_o>
9. По формуле (5.6) определить константу тангенсбуссоли С. результаты измерений занести в таблицу.

№	I, (A)	a,(гра-дус)	a,(гра-дус)	a,(гра-дус)	Нo, (Ам)	<Нo>	DНo	o>	
1
2
3
4

Контрольные вопросы
1. Что такое магнитная индукция и напряженность магнитного поля?
2. Единицы измерения магнитной индукции и напряженности магнитного поля.
3. Что такое магнитная проницаемость среды?
4. Какие величины необходимо знать, чтобы с помощью тангенсбуссоли определить силу тока в цепи?
5. Объясните принцип работы тангенсбуссоли.
6. Вывести рабочую формулу.


Лабораторная работа №16


Определение показателя преломления стеклянной пластинки

Цель работы: экспериментальная проверка основных законов геометрической оптики.

Приборы и принадлежности: измерительный микроскоп, микрометр, набор прозрачных пластинок с царапинами на противоположных гранях, штангенциркуль.


Теоретические сведения

Луч света AO, падающий на плоскую границу раздела двух прозрачных сред, например, воздух и стекло (рис.6.1) распадается на два луча: отраженный OB и ОС преломленный. Угол  между падающим лучом и перпендикуляром к границе раздела двух сред называется углом падения.
Угол  между проломленным лучом и перпендикуляром называется углом преломления.
Связь между углом падения , углом преломления  и показателем преломления для двух данных сред выражается законом преломления
sin /sin =n₂₁ (6.1)
Если луч света переходит из пустоты в среду, то показатель преломления среды называется абсолютным.
n=c/v. (6.2)
Если луч света переходит из одной среды в другую, то показатель преломления называется относительным.
Абсолютный показатель преломления характеризует преломляющую способность вещества по отношению к вакууму. Относительный показатель преломления зависит от преломляющих способностей двух граничащих сред. Физический смысл' показателя преломления определяется волновой теорией света, из которой следует, что показатель преломления n равен отношению скорости v₁, в которой распространяется свет в среде до преломления, к скорости в среде, куда он входит после преломления v₂. На основании сказанного имеем
n₂₁=v₁/v₂=n₂/n₁. (6.3)
В работе определяется показатель преломления стекла относительно воздуха. Так как преломляющаяся способность воздуха мало отличается от вакуума, то относительный показатель преломления стекла n в этом случае можно считать равным абсолютному показателю преломления.
Определение показателя преломления основано на кажущемся измерении толщины прозрачной пластинки, вследствие преломления в нем луча света. Предположим, что через плоскопараллельную пластинку (рис.6.2) рассматривается точка O, из которой падает расходящийся пучок света. Осевой луч OA как перпендикулярный к граням пластинки, при переходе из стекла в воздух не изменяет своего направления. Все остальные лучи пучка преломляются и отклоняются от перпендикуляра. Если наблюдатель смотрит на точку O так, что в зрачок его глаза попадает осевой луч OA и соседние с ним лучи пучка OBC и ODE, то он увидит точку O выше действительного ее положения, а менно в точке O₁, лежащей на пересечении лучей входящих в глаз. Точка O₁ является мнимым изображением точки O. Расстояние OA=H называется действительной толщиной пластинки, а расстояние O₁A=h, ее кажущейся толщиной.
При определении показателя преломления n стекла относительно воздуха, будем считать, что лучи OBC и ODE идут не из стекла в воздух, а в обратном направлении – из воздуха в стекло. В этом случае углом падения будет угол , а углом преломления угол . Так как углы  и  малы, то их синусы в формуле (6.1) можно заменить тангенсами. После замены будем иметь
n=tg /tg . (6.4)
Из прямоугольного треугольника AO₁B, в котором угол AO₁B= находим, что tg=AB/AO₁, а из прямоугольного треугольника AOB, в котором угол AOB=, tg=AB/AO.
Подставляя значения тангенсов в формулу (6.4), после замены AO₁ и AO их значениями h и H получим:
n=H/h. (6.5)
Таким образом, измерив действительную толщину пластинки H и кажущуюся толщину h, по формуле (6.5) можно определить ее показатель преломления n.
В работе действительная толщина пластинки H измеряется микрометром, а ее кажущаяся толщина h – при помощи измерительного микроскопа. Вид и устройство микроскопа показаны на рис.6.3, где 1 – штатив микроскопа, 2 – тубус, 3 – объектив, 4 – окуляр, 5 – предметный столик, 6 –осветительное зеркало, 7 – кремальерный винт, 8 – миллиметровая шкала и нониус.
Оптическая схема микроскопа приведена на рис.6.4. Микроскоп состоит из двух линз: короткофокусного объектива и длиннофокусного окуляра. Рассматриваемый предмет ab помещается перед объективом на расстоянии d₁, на много большим фокусного расстояния F. Объектив дает действительное, обратное, увеличенное изображение предмета ab на расстоянии f.