Загальні основи фізики

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

• Лабораторні роботи з основного курсу фізики
• Зміст
• Розділ 1. Механіка
• 1.1 Визначення залежностi моменту iнерцiї системи вiд розподiлу її маси вiдносно осi обертання
• 1.2 Визначення динамічної в'язкості рідини методом стокса
• Розділ 2. Молекулярна фізика
• 2.1 Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відриву кільця
• 2.2 Визначення коефіцієнта теплопровідності твердих тіл методом регулярного режиму
• Розділ 3. Електрика та магнетизм
• 3.1 Градуювання гальванометра
• 3.2 Визначення опору провідника за допомогою амперметра та вольтметра
• 3.3 Градуювання термопари
• 3.4 Визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля землі
• 3.5 Вивчення магнітного поля короткого соленоїда
• 3.6 Визначення питомого заряду електрона методом схрещених полів
• 3.7 Визначення ккд трансформатора
• 3.8 Визначення індуктивності котушки та дроселя
• Розділ 4. Коливання та хвилі
• 4.1 Визначення параметрів згасання коливань фізичного маятника
• 4.2 Дослідження резонансних характеристик коливального контура
• 4.3 Визначення швидкості звуку в повітрі методом стоячих хвиль
• Розділ 5. Оптика
• 5.1 Визначення довжини світлової хвилі за допомогою біпризми френеля
• 5.2 Визначення довжини світлової хвилі за допомогою дифракційної решітки
• 5.3 Дослідження поляризованого світла
• 5.4 Вивчення зорової труби
• 5.5 Вивчення мікроскопа
• 5.6 Визначення роботи виходу електрона з металів методом гальмування фотоелектронів в електричному полі
• Розділ 6. Фізика атомів, молекул та твердого тіла
• 6.1 Визначення енергетичної ширини забороненої зони напівпровідника
• 6.2 Вимірювання вольт-амперної характеристики напівпровідникового випрямляча
• 6.3 Вимірювання світлової характеристики вентильного фотоелемента
• Розділ 7. Атомна та ядерна фізика
• 7.1 Визначення активності радіоактивного препарату
• 7.2 Визначення коефіцієнта поглинання радіоактивного випромінювання різними матеріалами

Розділ 1. Механіка

1.1 Визначення залежностi моменту iнерцiї системи вiд розподiлу її маси вiдносно осi обертання

Мета роботи - вивчити основний закон динамiки обертового руху; встановити залежнiсть моменту iнерцiї системи вiд розподiлу її маси вiдносно осi обертання.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: обертовий рух абсолютно твердого тiла; кутова швидкiсть та кутове прискорення, їх зв'язок з лiнiйною швидкiстю та лiнiйним прискоренням; момент сили; момент iнерцiї тiла вiдносно нерухомої осi; закон динамiки обертового руху абсолютно твердого тiла вiдносно нерухомої осі [1, §§ 4, 16, 18; 2, §§ 28, 31, 32].

В даній лабораторній роботі застосовують непрямий метод визначення моменту iнерцiї системи, що ґрунтується на законi динамiки обертового руху:

, (1.1.1)

де J - момент iнерцiї; - момент сили; - кутове прискорення системи. Момент iнерцiї є величина адитивна, тому момент iнерцiї твердого тiла дорiвнює сумi моментiв iнерцiї всiх елементарних частинок цього тiла:

. (1.1.2)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Робота виконується на установцi (рис.1.1.1), що складається iз хрестовини, жорстко зв'язаної з нерухомим блоком радiуса . На хрестовинi можуть закріплюватись на рiзних вiдстанях R вiд осi обертання тягарцi m₁. На блок намотується нитка, один кiнець якої закрiплений на блоцi, а до iншого прив'язано вантаж масою m. Коли описанiй системi тiл надати свободу, вантаж m почне опускатися, а блок з хрестовиною i тягарцями - обертатися навколо нерухомої осi. На вантаж дiють сила тяжiння i сила натягу нитки . Пiд дiєю цих сил вантаж рухатиметься зі сталим прискоренням. Обертання блока, якщо знехтувати тертям на осi, викликає момент сили , модуль якої за третiм законом Ньютона дорiвнює модулю сили F. Плечем сили буде радiус блока , тому момент сили:

. (1.1.3)

Для визначення сили F^/=F записують динамiчне рiвняння руху вантажу m. Використовуючи зв'язок кутового прискорення з лiнiйним прискоренням i виражаючи останнє через висоту h i час опускання вантажу , з (1.1.1) із урахуванням (1.1.3) можна одержати формулу для визначення моменту iнерцiї системи тiл, що обертається:

. (1.1.4)

Оскiльки величина (у чому можна переконатися безпосереднiми пiдрахунками), то формула (1.1.4) набуває бiльш простого вигляду:

. (1.1.5)

Момент iнерцiї системи J складається з моменту iнерцiї блока з хрестовиною J₀ i моменту iнерцiї J^/ тягарцiв m₁, закрiплених на хрестовинi. Якщо вважати тягарцi точковими масами, у випадку симетричного їх розташування вiдносно осi обертання можна записати:

, (1.1.6)

де R - вiдстань тягарцiв вiд осi обертання.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

З (1.1.6) випливає лiнiйна залежнiсть мiж J та R². Визначивши момент інерції системи для рiзних значень R, можна побудувати графiк залежностi J=f(R²) (рис.1.1.2).

Для більш точного вимiрювання часу опускання вантажу, в установцi використовується електронний секундомiр, який фiксує тривалiсть руху.

Хiд роботи

Встановити тягарцi m₁ на максимальнiй i однаковiй вiдстанi R вiд осi обертання.

Намотуючи нитку на блок, пiдняти вантаж m на висоту h i зупинити, зафiксувавши хрестовину.

Вiдпустити хрестовину i вимiряти час опускання вантажу. Дослiд повторити тричi i знайти середнє значення часу опускання вантажу m.

Пiдрахувати значення моменту iнерцiї J, пiдставляючи у формулу (1.1.5) середнє значення часу.

Проробити пп. 1-5 для кiлькох рiзних положень тягарцiв вiдносно осi обертання. Результати вимiрiв i обчислень записати до таблицi 1.1.1.

Побудувати графiк залежностi J вiд R² (див. рис.1.1.2) i методом екстраполяцiї визначити J₀.

Визначити похибки вимiрювання J.

Таблиця 1.1.1.

№ пор.	R, м	r, м	m, кг	h, м	, с	<>, с	J, кгм2	R2, м	J0, кгм2

Контрольні запитання

Який рух називається обертанням твердого тіла відносно нерухомої осі?

Що називають моментом сили відносно нерухомої осі?

Суть основного закону динаміки обертового руху.

Що називають моментом інерції матеріальної точки відносно певної осі обертання?

Як підрахувати момент інерції твердого тіла відносно певної осі обертання?

З чого складається установка, що використовується в даній роботі?

Як одержати формулу для визначення моменту інерції системи в даній роботі?

1.2 Визначення динамічної в'язкості рідини методом стокса

Мета роботи - ознайомитись із суттю явища внутрішнього тертя в газах та рідинах; експериментально визначити коефіцієнт динамічної в'язкості певної рідини.

Вказівки до виконання роботи.

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: явища переносу; внутрішнє тертя; рух тіл у рідинах та газах [1, §§ 31-33, 48; 2, §§ 42, 43, 79, 80].

В'язкість (внутрішнє тертя) - це властивість реальних рідин та газів чинити опір переміщенню однієї частини рідини (газу) відносно іншої. При переміщенні одних шарів реальної рідини (газу) відносно інших виникають сили внутрішнього тертя, які мають напрямок вздовж дотичної до поверхні шарів.

Сила внутрішнього тертя між двома шарами рідини відповідно до закону Ньютона має вигляд:

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

,

де F - сила внутрішнього тертя; - градієнт швидкості, який показує як змінюється швидкість при переході від шару до шару у напрямку осі oy, перпендикулярному до напрямку руху шарів рідини (газу) (рис.2.2.1); S - площа поверхні шарів; - коефіцієнт пропорційності, який має назву динамічної в'язкості рідини (газу).

З рівняння Ньютона може бути визначена динамічна в'язкість рідини (газу):

.

У зв'язку з тим, що практичне визначення градієнта швидкості із застосуванням рівняння Ньютона викликає певні труднощі, в даній роботі використовується метод Стокса. Цей метод полягає у вимірюванні швидкості невеликих тіл сферичної форми, які повільно та рівномірно рухаються у рідині або газі.

На тіло, що падає в рідині (у даному випадку - металеву кульку), діють:

сила тяжіння ;

сила Архімеда ; (1.2.1)

сила опору .

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Вираз для сили опору було встановлено емпіричним шляхом англійським фізиком та математиком Дж. Стоксом (рис.1.2.2.). Сила Стокса виникає тому, що під час руху кульки в рідині має місце тертя між окремими шарами рідини. Так, найближчий до поверхні кульки шар рідини матиме швидкість кульки, бо рідина немовби налипає на неї. Інші шари матимуть тим меншу швидкість, чим далі знаходяться від кульки.

Внаслідок зростання швидкості падіння кульки сила опору також зростатиме (див. формулу сили Стокса). Тоді настане такий момент, коли сила P врівноважиться силами F_С та F_А, після чого кулька почне рухатись рівномірно:

. (1.2.2)

З системи рівнянь (1.2.1) та рівняння (1.2.2) можна одержати робочу формулу:

, (1.2.3)

де g - прискорення вільного падіння; d - діаметр кульки; - густина матеріалу, з якого зроблена кулька; _p - густина досліджуваної рідини; L - шлях, що проходить кулька за час .

Коефіцієнт динамічної в'язкості рідини пов'язаний з коефіцієнтом кінематичної в'язкості співвідношенням:

, (1.2.4)

де - густина рідини.

Прилад для визначення коефіцієнта динамічної в'язкості (рис.1.2.1) складається з скляного циліндра, заповненого досліджуваною рідиною. На бічній поверхні циліндра є дві позначки m та n, розташовані на відстані L одна від одної. Позначка m знаходиться трохи нижче від поверхні рідини. Її положення обирається так, щоб рух кульки між позначками можна було вважати рівномірним.

Хід роботи

За допомогою масштабної лінійки тричі виміряти відстань між позначками m та n і знайти середнє значення <L>. Результати цього та наступних вимірювань занести до таблиці 1.2.1.

За допомогою мікрометра тричі виміряти діаметр d кульки (після кожного виміру кульку слід виймати з мікрометра та вкладати в іншому положенні).

Розрахувати середнє значення <d>.

Розташувати кульку на незначній висоті над поверхнею рідини у центральній частині циліндричної посудини і, відпустивши її, виміряти час, за який вона пройде відстань між позначками m та n.

За формулою (1.2.3) визначити коефіцієнт динамічної в'язкості рідини .

Виконати пп. 2 -4 ще для двох кульок.

Розрахувати кінематичну в'язкість досліджуваної рідини за формулою (1.2.4).

Визначити похибки вимiрювання коефіцієнта динамічної в'язкості рідини (див. глава І, розділ 3).

Таблиця 1.2.1.

L, м	Дослід з 1-ю кулькою	Дослід з 2-ю кулькою	Дослід з 3-ю кулькою
	d, м	<d>, м	, с	d, м	<d>, м	, с	d, м	<d>, м	, с

Контрольні запитання

У чому полягає явище внутрішнього тертя?

Записати рівняння Ньютона для сили внутрішнього тертя та проаналізувати його.

Дати визначення градієнта швидкості.

Фізичний зміст кінематичної в'язкості. Її одиниці вимірювання.

Ламінарна та турбулентна течія рідини. Критерій Рейнольдса.

Зв'язок між кінематичним та динамічним коефіцієнтом в'язкості.

Пояснити залежність коефіцієнта в'язкості від температури виходячи з положень молекулярно-кінетичної теорії будови речовини для рідин та газів.

У чому полягає метод Стокса? Вивести робочу формулу.

Розділ 2. Молекулярна фізика

2.1 Визначення коефіцієнта поверхневого натягу рідини методом відриву кільця

Мета роботи - вивчити властивості поверхневого шару рідин та визначити коефіцієнт поверхневого натягу рідини.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: особливості рідкого стану речовини, поверхневий натяг[1, § 66; 2, § 92, 93].

Коефіцієнт поверхневого натягу рідини визначається через приріст поверхневої енергії рідини при збільшенні площі поверхні на :

,

а також через силу поверхневого натягу F_Н, яка дiє на контур L, що обмежує поверхню рідини:

. (2.1.1.)

Сили поверхневого натягу рідини F_Н зумовлені існуванням міжмолекулярних сил притягання. У зв'язку з тим, що концентрація молекул рідини в газі (над поверхнею рідини) значно менша, ніж в самій рідині, то сила міжмолекулярної взаємодії напрямлена всередину рідини, що й викликає появу сил поверхневого натягу.

Сила поверхневого натягу F_Н напрямлена перпендикулярно до контуру, який обмежує поверхню рідини (або яку-небудь ділянку поверхні), вздовж дотичної до поверхні, в сторону скорочення її поверхні.

В даній роботі для визначення коефіцієнта поверхневого натягу використовують метод відриву кільця від поверхні рідини.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Сила відриву кільця від поверхні визначається за допомогою торсійних терезів (рис.2.1.1). Основним елементом терезів є плоска спіральна пружина, яка деформується під дією ваги предмета. Величина деформації пружини пропорційна навантаженню, а тому шкалу терезів, яка показує кут закручування пружини, градуйовано в одиницях сили. В момент відриву кільця терези показують силу F, яка дорівнює сумі сил поверхневого натягу F_Н та ваги вогкого кільця P:

. (2.1.2)

Відрив кільця від поверхні (рис.2.1.1) пов'язаний з розривом поверхні рідини по двох периметрах кільця: . Враховуючи (2.1.1) та (2.1.2.) можна одержати робочу формулу для визначення коефіцієнта поверхневого натягу :

, (2.1.3)

де d₁ та d₂ відповідно внутрішній та зовнішній діаметри кільця.

Хід роботи

1. За допомогою опорних гвинтів встановити бульбашку, яка контролює горизонтальність терезів, у центральне положення.

2. Користуючись ручкою, розташованою на правому боці терезів, звільнити коромисло з підвішеним на ньому кільцем від затискувача.

3. За допомогою розташованої на лівому боці терезів ручки встановити зусилля відриву прядку 800 мГ.

4. Розташувати під кільцем склянку з водою.

5. За допомогою лівої ручки зменшувати зусилля доти, поки кільце не доторкнеться до поверхні води.

6. Повільно обертаючи ліву ручку, відірвати кільце від поверхні води. Після відриву зафіксувати величину сили відриву F. При цьому слід враховувати, що шкалу терезів градуйовано в міліграмах.

7. Обертаючи ліву ручку в протилежний бік, прийти до такої ситуації, коли коромисло терезів займає горизонтальне положення і починає коливатись навколо нього. Визначити вагу вогкого кільця Р та занести до табл. 2.1.1.

8. Повторити пункти 5 - 7 два рази.

9. Нагріти воду у склянці до 50 ⁰С і виконати пункти 3 - 8.

10. Знайти силу для кожного виміру, результати занести до табл.2.1.1.

11. За формулою (2.1.3) визначити величину . Виконати розрахунки середнього значення (за результатами трьох вимірів) для двох значень температури води.

Таблиця 2.1.1

№ пор.	Температура води t, 0C	Сила відриву F, Н	Вага вогкого Кільця P, Н	FН, Н	, Н/м

Контрольні запитання

Який вигляд має графічна залежність потенціальної енергії взаємодії однієї пари молекул від відстані між ними?

Яке співвідношення між потенціальною і кінетичною енергіями характерне для різних агрегатних станів речовини?

Який характер руху молекул у рідині? Що характеризують поняття далекого та близького порядків?

Що називається сферою молекулярної дії?

Чому рідину практично неможливо стиснути? Який порядок товщини поверхневого шару?

Що називається коефіцієнтом поверхневого натягу? Як напрямлена сила поверхневого натягу?

2.2 Визначення коефіцієнта теплопровідності твердих тіл методом регулярного режиму

Мета роботи - визначити явища переносу; вимiряти коефiцiєнт теплопровiдностi ебонiту.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий матеріал: явища переносу; теплопровідність [ 1, §48; 2, §§ 79, 80].

Щоб експериментально визначити коефiцiєнт теплопровiдностi можна використати процес передачi теплоти в твердому тiлi, оскiльки закономiрностi такого процесу завжди пов'язанi з коефiцiєнтом теплопровiдностi.

Коефiцiєнт теплопровідностi можна знайти з основного рiвняння, яке описує процес теплопровідності - рiвняння Фурє:

,

де - кількість тепла, що передається вздовж осі x крізь елемент площі за час при градієнті температури .

Звiдки

.

Але краще розглядати такi процеси, в яких можна легко i точно вимiряти всi величини, що входять до розрахункової формули для визначення . Один iз таких процесiв - регулярний режим.

Нехай нагрiте до деякої температури T тiло розмiщене в середовищi, яке добре проводить тепло (наприклад вода).Температура цього середовища пiдтримується сталою і рівною T₀. Тодi внаслiдок теплопровiдностi рiзниця температур тiла та середовища T₀-T=ДT постiйно зменшуватиметься i в момент встановлення рiвноваги дорiвнюватиме нулю. Закон цього зменшення, тобто функцiя ДT=f(), залежить вiд розмiрiв та форми тiла, його теплофiзичних властивостей, а також вiд того, як було нагрiте тiло (рiвномiрно чи нi) перед початком дослiду. В початковiй стадiї теплообмiну цей закон досить складний.

З часом настає так званий регулярний режим нагрiвання (чи охолодження), при якому рiзниця температур мiж будь-якою точкою зразка та навколишнiм середовищем залежить вiд часу за законом:

. (2.2.1)

Величина m називається темпом нагрiвання (чи охолодження) i пов'язана з властивостями тiла:

, (2.2.2)

де k - коефiцiєнт форми, що залежить вiд форми та розмiрiв тiла; c - питома теплоємнiсть тiла; - густина тiла. Для цилiндра:

, (2.2.3)

де R, h - вiдповiдно радiус i висота цилiндра. Таким чином, визначення коефiцiєнта теплопровідностi цилiндричного зразка з вiдомими густиною речовини та питомою теплоємнiстю c зводиться до визначення темпу нагрiвання m. З цiєю метою вимiрюють рiзницю температур мiж зразком i зовнiшнiм середовищем у рiзнi моменти часу.

Згiдно з (2.2.1)

. (2.2.4)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Залежність після настання регулярного режиму на графіку має вигляд прямої з кутовим коефіцієнтом m (рис.2.2.1).

Щоб знайти темп нагрівання m, на прямолiнiйнiй ділянці графіка вибирають довільно (але на досить великій відстані одна від одної) точки 1 i 2. Для цих точок визначають моменти часу ф₁ та ф₂, а також lnДT₁ i lnДT₂. Тодi

. (2.2.5)

Пiсля визначення темпу нагрiвання можна знайти коефiцiєнт теплопровiдностi:

. (2.2.6)

За середовище, в якому нагрiвається зразок, доцiльно взяти воду, яка кипить, оскiльки, по-перше, в цьому разi забезпечується достатнiй теплообмiн поверхнi зразка з водою за рахунок перемiшування, по-друге, температура води, що кипить, вiдома та не змiнюється, коли зразок нагрiвається.

Температуру вимiрюють за допомогою диференцiальної термопари та потенцiометра постiйного струму або самозаписувача.

Хiд роботи

Ознайомитися з установкою. Увiмкнути нагрiвник та довести воду у посудинi до кипiння. Пiдтримувати температуру води протягом усього дослiду.

Вимiряти радіус R та висоту зразка h. За формулою (2.2.3) обчислити коефiцiєнт форми k.

Занурити цилiндр у воду та увiмкнути самозаписувач. Протягом 15-20хв отримати діаграму залежності температури зразка від часу (рис.2.2.2).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Для визначення темпу нагрівання опрацювати діаграмну стрічку. Для цього:

а) нанести на діаграму шкалу температур (мінімальна температура зразка -кімнатна, а максимальна - 100⁰ С);

б) знаючи швидкість руху діаграмної стрічки, нанести на діаграму шкалу часу;

в) через кожні 120 с одержати значення температури зразка t⁰С. Значення температури та часу занести до таблиці 2.2.1.

Розрахувати різницю між температурою зразка та кімнатною T=Т-Т_к і занести її в табл. 2.2.1.

Побудувати графік залежності .

За формулою (2.2.5) визначити темп нагрівання m.

За формулою (2.2.6) розрахувати коефіцієнт теплопровідності ебоніту .

Таблиця 2.2.1

№ пор.	, с	t0 C	T, K	lnT

Контрольні запитання

Що називається явищем теплопровідності?

Яка умова виникнення теплопровідності? Що таке градієнт температури?

Основне рівняння теплопровідності.

Як пояснити фізичний зміст знака мінус в рівнянні Фур'є?

Що називається коефіцієнтом теплопровідності?

За яким законом змінюється різниця температур в залежності від часу при регулярному режимі?

Розділ 3. Електрика та магнетизм

3.1 Градуювання гальванометра

Мета роботи - вивчити закони постійного струму, навчитися складати кола, градуювати прилади для вимірювання струму і напруги та визначати ціну поділки шкали градуйованого гальванометра.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: електричний струм; сила струму та його густина; закон Ома для ділянки кола; опір провідників; правила Кірхгофа для розгалужених кіл [1, §§ 96, 98, 101; 3; §§ 31, 34, 36].

У колах постійного та змінного струмів для вимірювання сили струму використовують амперметри, а для вимірювання напруги - вольтметри. Ці прилади виготовляються на основі одного й того ж самого вимірювального приладу - гальванометра і відрізняються один від одного внутрішнім опором та шкалами.

Як і до інших вимірювальних приладів, до амперметрів та вольтметрів ставляться такі вимоги: вмикання їх у коло не повинно призводити до помітної зміни режиму роботи всього кола або окремих його ділянок. Це досягається тим, що під час кожного конкретного вимірювання сили струму або напруги відповідні вимірювальні прилади підбираються з урахуванням їх власного опору.

Для того, щоб виміряти величину струму, необхідно через прилад пропустити увесь цей струм або наперед відому його частину, тому амперметр потрібно вмикати послідовно у розрив тієї ділянки мережі, де необхідно виміряти струм. Однак при такому підключенні опір амперметра збільшить загальний опір кола і зменшить струм у ньому. Щоб цього не сталося, обмотку амперметрів роблять із невеликої кількості витків дроту, великої товщини. Завдяки цьому обмотка має невеликий опір.

Щоб одним і тим самим амперметром можна було вимірювати великі струми, паралельно йому вмикають шунт - пластинку із дуже малим відомим опором, меншим за опір амперметра. Тому через шунт буде проходити більша частина струму, а по амперметра - менша його частина. Опір шунта розраховують за формулою

, (3.1.1)

де I_Г - значення сили струму, на яку розрахований гальванометр (амперметр), I - значення сили струму, яку потрібно виміряти цим гальванометром (амперметром), R_Г - опір гальванометра (амперметра).

Для вимірювання напруги між будь-якими двома точками електричного кола до них підключають вольтметр, при цьому частина струму буде відгалужуватись у вольтметр. Щоб зменшити кількість енергії, яка витрачається на вимірювання, опір вольтметра роблять більшим - значно більшим, ніж опір споживача (ділянки кола). Тому струм, який проходить через вольтметр, дуже малий.

Для вимірювання дуже великої напруги до вольтметра послідовно вмикають ще додатковий опір. При цьому загальний опір кола вольтметра збільшується і струм у ньому навіть при значній напрузі не перевищує величини, припустимої для даного вольтметра. Додатковий опір розраховують за формулою

, (3.1.2)

де U - напруга, яку необхідно виміряти.

Амперметри, як і вольтметри, часто виготовляють на різні межі. Для цього в корпусі приладу монтують два або декілька шунтів (чи додаткових опорів), які перемикачем з'єднуються з клемами приладу.

Важливими характеристиками електровимірювальних приладів є ціна поділки шкали та клас точності приладу. Ціна поділки К визначається значенням вимірюваної величини, яке відповідає одній поділці шкали. Для цього необхідно поділити граничну силу струму (напругу) на число поділок на шкалі приладу. В приладах, які мають декілька меж вимірювання, максимальна сила струму (напруга) вказується біля перемикача меж або біля відповідної клеми приладу.

Іноді, особливо для приладів, розрахованих для вимірювання малих значень струмів та напруги, зручно розглядати не ціну поділки шкали, а чутливість приладу S, яка визначається лінійним або кутовим переміщенням покажчика (стрілки), що відповідає одиниці вимірюваної величини. Ціна поділки шкали та чутливість приладу обернено пропорційні, тобто

. (3.1.3)

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

У даній роботі за показами приладів з відомою ціною поділки шкали (еталонних) потрібно визначити ціну поділки шкали градуйованих приладів. Для зміни сили струму при градуюванні амперметра використовується реостат (рис.3.1.1). У цьому разі змінний опір вмикається в коло послідовно. Для плавного регулювання струму змінний опір підбирається невеликим (кілька десятків Ом). Для зміни напруги при градуюванні вольтметра використовується потенціометр (подільник або регулятор напруги) (рис.3.1.2). У цьому разі загальний опір потенціометра повинен бути великим (декілька сотень Ом).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Хід роботи

А. Градуювання гальванометра як амперметра.

Зібрати коло за схемою (рис.3.1.1).

Змінюючи за допомогою реостата силу струму в колі, записати в табл.3.1.1 покази еталонного (в амперах) та градуйованого (в поділках) приладів.

За отриманими даними побудувати графік залежності показів градуйованого приладу від струму.

Користуючись графіком, визначити ціну поділки шкали градуйованого приладу.

Розрахувати за допомогою формули (3.1.3) чутливість градуйованого приладу.

Таблиця 3.1.1

№ пор.	n, поділок	I, A	K, А/поділку	S, поділ./А

Б. Градуювання гальванометра як вольтметра.

Зібрати коло за схемою (рис. 3.1.2).

Змінюючи напругу, записати до табл.3.1.2 покази еталонного (у вольтах) та градуйованого (в поділках) приладів.

За отриманими даними побудувати графік залежності показів градуйованого приладу від напруги.

Користуючись графіком, визначити ціну поділки шкали градуйованого приладу.

Розрахувати за допомогою формули (3.1.3) чутливість градуйованого приладу.

Таблиця 3.1.2

№пор.	n, поділок	U, В	K, В/поділку	S, поділ./В

Контрольні запитання

Що називають силою струму? Яка її одиниця?

Що називають густиною струму? Яка її одиниця?

В чому полягає фізичний зміст напруги?

Як формулюються правила Кірхгофа?

Які межі вимірювання має кожен з приладів у даній роботі?

В яких випадках виникає потреба у застосуванні шунта або додаткового опору?

Як визначити ціну поділки приладу?

3.2 Визначення опору провідника за допомогою амперметра та вольтметра

Мета роботи - вивчити закони постійного струму на прикладі розгалужених кіл; визначити невідомий опір методом вимірювання напруги та струму при різних способах вмикання приладів.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: електричний струм; сила струму та його густина; закон Ома для однорідної та неоднорідної ділянок кола; опір провідників; правила Кірхгофа для розгалужених кіл [1, §§ 96, 98, 100, 101; 3, §§31, 34-36].

Існує декілька способів вимірювання електричних опорів. Для безпосереднього вимірювання опорів застосовуються прилади: омметри, мегаомметри. Омметр для вимірювання великих опорів - це звичайний магнітоелектричний вольтметр, включений за певною схемою. У мегаомметра, як вимірювача, також використовують магнітоелектричний прилад, але спеціальної конструкції. Мегаомметром користуються, наприклад, для вимірювання опору ізоляції струмопровідних частин електроустановок, який повинен бути дуже великим.

У вимірювальній техніці широко застосовуються місткові методи, або методи порівняння за допомогою місткових схем (зручною і поширеною є схема містка Уітстона). Ці методи дають змогу вимірювати опори з високою точністю. Точність обумовлена застосуванням змінних зразкових мір опору, з якими порівнюються невідомі опори.

Найпростіший спосіб вимірювання опорів - метод амперметра і вольтметра. За цим методом величину невідомого опору вираховують використовуючи закон Ома для ділянки кола:

, (3.2.1)

де U, I - відповідно напруга і сила струму на даній ділянці.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

На рис.3.2.1 та 3.2.2 наведено дві можливі схеми для визначення невідомого опору.

Першу схему використовують для вимірювання малих опорів (порівняно з опором вольтметра). Амперметр у цій схемі вимірює загальний струм, який протікає і по опору R_Х, і по обмотці вольтметра. Якщо опір R_Х малий, то по ньому проходить майже весь струм, оскільки струм, який тече через вольтметр, дуже малий.

Невідомий опір можна знайти за формулою

, (3.2.2)

де R_В - опір вольтметра. З формул (3.2.1) і (3.2.2) видно, що R<R_Х. Причому, чим більший опір вольтметра, тим ближче R до R_Х.

Другу схему використовують для вимірювання великих опорів (порівняно з опором амперметра). Вольтметр у цій схемі вимірює спад напруги і на опорі R_Х, і на обмотці амперметра. Оскільки опір R_Х дуже великий, на нього витрачається майже вся напруга мережі.

Невідомий опір можна знайти за формулою

, (3.2.3)

де R_А - опір амперметра. З формул (3.2.1) і (3.2.3) видно, що R>R_Х. Причому, чим менший опір амперметра, тим ближче R до R_Х.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Метод амперметра і вольтметра застосовують тоді, коли можна обійтись без великої точності вимірювань.

Хід роботи

Зібрати коло за схемою на рис.3.2.1.

1. Увімкнути вимикач, записати покази вольтметра та амперметра при трьох різних значеннях сили струму. Результати вимірювань занести до табл. 3.2.1.

Таблиця 3.2.1

№ пор.	U, В	І, А	RX, Ом	R, Ом

2. Зібрати коло за схемою на рис.3.2.2 та зробити аналогічні вимірювання. Результати занести до табл. 3.2.2.

Таблиця 3.2.2

№ пор.	U, В	І, А	RX, Ом	R, Ом

3. Підрахувати вимірюваний опір, знайти його середнє значення.

4. Обчислити вимірюваний опір за формулою (3.2.1). Знайти середнє значення результатів для кожної схеми вмикання приладів.

5. Виразити у процентах, наскільки відрізняються результати наближених підрахунків за формулою (3.2.1) від середнього значення вимірюваного опору.

Контрольні запитання

Виведіть закон Ома в диференціальній формі.

Що таке опір провідників? Як залежить опір провідників від температури?

Як складаються рівняння Кірхгофа? Якими міркуваннями необхідно керуватись, щоб не виписувати зайвих рівнянь Кірхгофа?

Які є способи вимірювання опорів?

Як вмикається вольтметр у мережу?

Чи можна підключити амперметр паралельно мережі? Чому?

Які спотворення вносить підключення вольтметра в мережу?

Які спотворення вносить підключення амперметра в мережу?

Які спотворення вносять у мережу вольтметр і амперметр?

Чи будуть точними значення R_Х, які розраховані за формулою (3.2.1)?

3.3 Градуювання термопари

Мета роботи - вивчити термоелектричні явища, проградуювати термопару, засвоїти метод вимірювання температури за допомогою термопари.

Вказівки до виконання роботи

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: класична теорія електропровідності металів; робота виходу електронів з металу; контактна різниця потенціалів; термоелектричні явища та їх практичне використання [1, §§ 102-104, 246, 247; 3, §§ 77,78; 4, §§ 60, 62, 63].

Під термоелектричними розуміють групу фізичних явищ (явища Зеебека, Пельтье та Томпсона), зумовлених існуванням взаємозв'язку між тепловими та електричними процесами в металах (а також у напівпровідниках).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Явище Зеебека. Якщо спаї 1 та 2 двох різнорідних металів, які утворюють замкнуте коло (рис.3.3.1) підтримувати при різних температурах, то в колі буде протікати струм під дією термоелектрорушійної сили. Зміна знаку у різниці температур спаїв супроводжується зміною напрямку струму.

Термоелектрорушійна сила (термо- ЕРС) обумовлена двома причинами. Як відомо, рівень Фермі залежить від температури. Тому стрибок потенціалу (внутрішня різниця потенціалів) для спаїв, що знаходяться при різних температурах, буде неоднаковим і сума стрибків потенціалу для всього кола відмінна від нуля. Одного цього було б досить для виникнення діючої у вказаному на рис. 3.3.1 стрілкою напрямку ЕРС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Щоб зрозуміти другу причину виникнення термо-ЕРС, розглянемо однорідний металевий провідник, вздовж якого є градієнт температури (рис.3.3.2). В цьому випадку концентрація електронів з більш високою енергією (W>W_F) біля нагрітого кінця буде більше, ніж біля холодного; а концентрація електронів з більш низькою енергією (W<W_F) буде, навпаки, біля нагрітого кінця менше. Вздовж провідника виникає градієнт концентрації електронів з даним значенням енергії, що викликає дифузію більш швидких електронів до холодного кінця, а більш повільних - до гарячого.

Дифузійний потік швидких електронів буде більшим, ніж потік повільних електронів. Тому поблизу холодного кінця утворюється надлишок електронів, а поблизу гарячого - їх недолік. В результаті всередині провідника виникає електричне поле, яке напрямлене назустріч градієнту температури. Воно буде зменшувати потік швидких електронів. Коли обидва потоки зрівноважаться в кожному перерізі, то настане рівноважний стан. При цьому на кожній ділянці провідника довжиною dx буде відбуватись зміна потенціалу d, що відповідає зміні температури dT на цій же ділянці.

Таким чином, термо-ЕРС складається з суми внутрішньої контактної різниці потенціалу і суми зміни потенціалу, що викликані дифузією носіїв струму:

.

Не вдаючись у деталі, відзначимо, що для багатьох пар металів термоелектрорушійна сила прямо пропорційна різниці температур спаїв:

. (3.3.1)

Величину називають питомою термо-ЕРС даної пари металів. Вона показує як змінюється термо-ЕРС при зміні різниці температур спаїв на 1 К. Для більшості пар металів має порядок 10^-5 10^-4 В/К; для напівпровідників вона може бути значно більшою (до 1,510^-3 В/К). В окремих випадках питома термо-ЕРС слабко залежить від температури. Як правило, зі збільшенням різниці температур спаїв термо-ЕРС змінюється не за лінійним законом, а досить складним чином.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Явище Зеебека використовується для вимірювання температур. Відповідний пристрій називається термопарою, що є двома дротинами, виготовленими з різних металів, або сплавів, кінці яких спаяні (рис.3.3.3). Один спай вміщують у середовище, температуру якого слід виміряти, а другий - у середовище з відомою сталою температурою (наприклад, у посудину з льодом при 0⁰ С). Оскільки термо-ЕРС, що виникає в термопарі (3.3.1), пропорційна різниці температур спаїв Т, то за показами гальванометра визначають вимірювану температуру. Питома термо-ЕРС залежить від температури, тому для практичної роботи потрібно мати значення у всьому діапазоні різниці температур. З цією метою будують графік залежності термо-ЕРС від різниці температур спаїв Т.

Термопари мають ряд переваг порівняно зі звичайними термометрами: вони дають змогу вимірювати температуру в широкому діапазоні - від десятків до тисяч градусів абсолютної шкали. Термопари мають велику чутливість і тому дають змогу вимірювати дуже малі різниці температур (до 10^-3 К). Так, термопари залізо-константан застосовують для вимірювання температур до 500⁰ С і мають чутливість 5,310^-5 В/К. Термопара платина-платинородій (90% платини і 10 % родію) має чутливість 610^-6 В/К, її використовують для вимірювання температур від дуже низьких до 1500⁰ С.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

За допомогою термопари можна не тільки вимірювати температуру, а й стежити за її зміною в часі. Можливість встановлення гальванометра на значному віддаленні від термопари дає змогу проводити дистанційне вимірювання температури. Це дозволяє вимірювати, наприклад, розподіл температурного поля в будівельних конструкціях при їх виготовленні або експлуатації. При вивченні фізико-хімічних процесів, які протікають при формуванні структури будівельного матеріалу, широко використовується диференціальний термографічний аналіз, у якому теплота, що виділяється або поглинається матеріалами, також вимірюється за допомогою термопар. Щоб збільшити чутливість термопар, застосовують їх послідовне з'єднання, які називають термобатареями, або термостовпчиками.

Схема установки для градуювання термопари (рис.3.3.4) складається з термопари 1; приладу для вимірювання термоструму (гальванометра) 2; термометра для гарячого спаю термопари 3, нагрівника 4. Холодний спай термопари перебуває при кімнатній температурі.

Хід роботи

1. У коло термопари ввімкнути прилад (рис. 3.3.4), що вимірює термострум.

2. Визначити температуру холодного спаю, яка дорівнює температурі навколишнього повітря.

3. Увімкнути нагрівник. Записати у табл. 3.3.1 покази гальванометра та термометра, який вимірює температуру гарячого спаю (6-8 значень).

4. Вимкнути нагрівник. У процесі охолодження записати температури гарячого спаю, які відповідають тим самим показам гальванометра.

5. Використовуючи характеристики гальванометра (C_Г- ціну поділки шкали та R_Г- внутрішній опір), розрахувати термо-ЕРС у вольтах:

.

6. Обчислити середні значення температури, які відповідають раніше підрахованим значенням термо-ЕРС.

7. Дані вимірювань занести до таблиці 3.3.1.

8. Побудувати графічну залежність , де Т - різниця температур гарячого та холодного спаїв термопари.

9. Визначити за допомогою графіка питому термо-ЕРС ()

Таблиця 3.3.1

Покази гальванометра, поділки n	Термо-ЕРС , В	Температура гарячого спаю термопари, 0С	Різниця температур
		При нагріванні	При охолодженні	Середнє значення

Контрольні запитання

1. У чому полягає суть термоелектричних явищ?

2. Як розуміти роботу виходу електрона з металу і яка її розмірність?

3. Пояснити виникнення різниці потенціалів при контакті двох металів, чи викликає вона виникнення струму в колі і чому?

4. У чому суть термо-ЕРС ?

5. Який фізичний зміст питомої термо-ЕРС ?

6. Що являє собою термопара, термоелемент і термобатарея?

7. Де використовуються термопари в науці та техніці?

3.4 Визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля землі

Мета роботи - визначити горизонтальну складову індукції та напруженості магнітного поля Землі за допомогою тангенс-гальванометра.

Вказівки до виконання роботи

Перед виконанням роботи необхідно вивчити такий теоретичний матеріал: магнітне поле; індукція магнітного поля; закон Ампера; закон Біо - Савара - Лапласа; принцип суперпозиції магнітних полів; магнітне поле колового провідника зі струмом; напруженість магнітного поля [1, §§109 - 112; 3§§40, 42, 44, 47, 52 ].

Магнітне поле - це складова загального електромагнітного поля, яка утворюється рухомими зарядами (струмами) і діє відповідно на рухомі заряди (струми).

Основною характеристикою магнітного поля є вектор магнітної індукції , який в даній точці поля пропорційний силі, яка діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, вміщеної в цю точку магнітного поля. Сила, що діє з боку магнітного поля на південний полюс стрілки, напрямлена протилежно вектору .

Магнітне поле можна зобразити графічно за допомогою ліній магнітної індукції. Лініями магнітної індукції (магнітними силовими лініями) називають криві, дотичні до яких в кожній точці збігаються з напрямом вектора в цих точках.

Крім магнітної індукції , вводиться ще одна характеристика - напруженість . Напруженість магнітного поля не залежить від магнітних властивостей середовища і характеризує магнітне поле, що його створює струм. У випадку однорідного та ізотропного середовища:

,

де - відносна магнітна проникність середовища; - магнітна стала.

Застосовування компаса, магнітна стрілка якого завжди встановлюється в кожному місці Землі певним чином, свідчить про те, що Земля є магнітом і що у навколоземному просторі існує магнітне поле. Магнітні полюси Землі не збігаються з її географічними полюсами. Південний магнітний полюс Землі знаходиться у північній півкулі. Його координати: 70⁰50^/ північної широти і 56⁰ західної довготи. Північний магнітний полюс лежить у південній півкулі на 70⁰10^/ південної широти і 150⁰5^/ східної довготи. Магнітні полюси дрейфують з часом. Наприклад, магнітний полюс північної півкулі знаходився у 1600 році на відстані близько 1300 км від географічного полюса, а тепер його відстань - до 2100 км.

Внаслідок розходження магнітних та географічних полюсів, між площиною магнітного меридіана (у цій площині встановлюється стрілка компаса) і площиною географічного меридіана для кожного місця Землі завжди існує певний кут, який називається кутом схилення. Стрілка компаса встановлюється не горизонтально до поверхні Землі, а під деяким кутом, який називається кутом нахилу. Це означає, що лінії магнітного поля не паралельні поверхні Землі, а дещо нахилені. Кут нахилу неоднаковий для різних точок Землі. Силові лінії магнітного поля Землі на екваторі напрямлені горизонтально до її поверхні, біля магнітних полюсів - вертикально, а у всіх інших місцях - під деяким кутом.

Магнітне поле у кожній точці Землі характеризується горизонтальною складовою напруженості магнітного поля (проекцією напруженості магнітного поля на горизонтальну площину), кутами схилення і нахилу.

Напруженість магнітного поля незначна. Вона змінюється від 0,34 Е на екваторі до 0,66 Е біля полюсів. Винятком є окремі магнітні аномалії, де напруженість магнітного поля Землі більша у зв'язку з покладами магнетитових та інших залізних руд. Наприклад, в районі найсильнішої в світі Курської аномалії над потужними пластами залізних руд вертикальна складова напруженості поля в деяких місцях досягає 2 Е, а горизонтальна - 1,1 Е (замість звичайних 0,2 Е для цієї широти).

Для визначення горизонтальної складової магнітної індукції В_Г магнітного поля Землі у даній лабораторній роботі користуються тангенс-гальванометром, схему якого показано на рис.3.4.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Тангенс-гальванометр складається з колової рамки, на яку намотано N витків провідника. В центрі рамки на вертикальній осі закріплено магнітну стрілку, яка може вільно обертатись тільки у горизонтальній площині. Тому на цю магнітну стрілку орієнтуюче діє тільки горизонтальна складова магнітного поля Землі.

При пропусканні струму через провідники рамки магнітна стрілка буде перебувати під дією двох магнітних полів - горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі B_Г та магнітного поля струму B_C. Стрілка встановлюється у напрямі рівнодійної індукції B цих магнітних полів (рис.3.4.2):

.

Якщо вісь магнітної стрілки при відсутності струму у рамці збігається з площиною рамки, то кут між B_Г і B_C буде прямим і величини B_Г і B_C будуть зв'язані між собою співвідношенням (рис. 3.4.2):

, (3.4.1)

де - кут відхилення магнітної стрілки (кут між векторами горизонтальної складової магнітної індукції поля Землі B_Г та магнітного поля струму B_C).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

За законом Біо - Савара -Лапласа індукція магнітного поля в центрі контуру у вигляді кола зі струмом І:

, (3.4.2)

то робоча формула для підрахунку горизонтальної складової індукції магнітного поля Землі записується так:

, (3.4.3)

де R - радіус рамки; І - сила струму; N - кількість витків рамки; ₀ - магнітна стала; - відносна магнітна проникність середовища (у даному випадку =1).

Застосувавши зв'язок між вектором магнітної індукції та напруженістю магнітного поля можна записати для горизонтальної складової напруженості магнітного поля Землі:

; (3.4.4)

або з урахуванням (3.4.2):

. (3.4.5)

Тангенс-гальванометр може бути використаний як гальванометр для вимірювання невеликого струму I, якщо відомі величини B_Г, N та R. З формули (3.4.3) видно, що , тобто . Тому і прилад, який використовується в даній роботі для визначення горизонтальної складової індукції та напруженості магнітного поля Землі, називається тангенс-гальванометром.

Хід роботи

1. Скласти електричне коло за схемою на рис. 3.4.1.

2. Звільнити магнітну стрілку від аретиру, рамку повернути так, щоб її площина збігалася з напрямом орієнтації стрілки.

3. Увімкнути джерело струму, встановити певну силу струму I, відмітити кут (тричі, включити та виключити струм).

4. Аналогічно виміряти кут при трьох різних силах струму I. Результати вимірювання занести в табл.3.4.1.

5. За формулами (3.4.3) та (3.4.4) обчислити B_Г та H_Г.

Таблиця 3.4.1

№ пор.	I, A		ср	N	R, м	ВГ, Тл	НГ, А/м
		1	2	3

Контрольні запитання

1. Індукція та напруженість магнітного поля і їх розмірність.

2. Що називається лініями магнітної індукції?

3. Сформулюйте закон Біо-Савара - Лапласа.

4. Вивести формулу для B і H в центрі колового струму.

5. Як влаштований тангенс-гальванометр?

6. Як зв'язані між собою B і H?

7. Поясніть метод вимірювання B_Г і H_Г магнітного поля Землі.

8. Характеристики магнітного поля Землі.

3.5 Вивчення магнітного поля короткого соленоїда

Мета роботи - визначити індукцію магнітного поля в різних точках осі короткого соленоїда.

Вказівки до виконання роботи

Для виконання роботи слід вивчити такий теоретичний матеріал: індукція магнітного поля; закон Біо - Савара - Лапласа; принцип суперпозиції магнітних полів; закон повного струму (циркуляція вектора магнітної індукції); розрахунок магнітних полів тороїда та соленоїда; напруженість магнітного поля [1, §109 - 112, 118, 119; 3, §§ 40, 42, 49, 50, 52].

Струм, який протікає по провіднику, створює в навколишньому просторі магнітне поле. Для створення магнітних полів використовують провідники різних форм та розмірів, серед яких типовим є соленоїд. Соленоїд - це провідник, намотаний на циліндричний каркас. Лінії індукції магнітного поля соленоїда показані на рис.3.5.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Магнітні поля, створені різними провідниками зі струмом, розраховуються за законом Біо-Савара - Лапласа. Проте в деяких випадках (наприклад, в розрахунках поля тороїда або соленоїда) зручно використовувати закон повного струму: циркуляція вектора індукції магнітного поля вздовж довільно вибраного у просторі замкненого контуру дорівнює алгебраїчній сумі струмів, охоплених даним контуром, помноженій на _o:

, (3.5.1)

де - індукція магнітного поля в довільній точці вибраного контуру L;

- елемент довжини контуру;

₀ - магнітна стала, яка дорівнює ;

- відносна магнітна проникність середовища;

- алгебраїчна сума струмів, охоплених даним контуром.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

При розрахунку суми струмів позитивним слід вважати такий струм, напрям якого зв'язаний з напрямом обходу контуру правилом "правого гвинта"; струм протилежного напряму слід вважати негативним (рис.3.5.2).

Користуючись законом повного струму, можна вивести формулу для індукції магнітного поля В довгого соленоїда або тороїда зі струмом І:

, (3.5.2)

де I - струм у витках; n_o - кількість витків на одиницю довжини соленоїда або тороїда.

Розрахунки, виконані на підставі закону Біо - Савара - Лапласа, дають змогу отримати формулу для індукції магнітного поля в довільній точці на осі соленоїда обмеженої довжини:

, (3.5.3)

де ₁, ₂ - кути між віссю соленоїда та радіус-векторами, проведеними з даної точки до кінців соленоїда (рис.3.5.3).

Размещено на http://www.allbest.ru/

1

Для нескінченно довгого соленоїда і вираз (3.5.3) стає тотожним виразу (3.5.2).

Враховуючи геометричні розміри соленоїда (Рис.3.5.3), значення cos₁ та cos₂ можна виразити через довжину та радіус соленоїда і вираз (3.5.3) записати у вигляді:

...