Лабораторная работа - Южный федеральный университет

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Т.Ю. Привалова, Ю.А. Игнатова, Л.М. Монастырский, А.Л. Цветянский,
П.Ф. Тарасенко
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Методические указания к лабораторной работе
«Магнитное поле в проводнике»
Ростов-на-Дону
2014
Учебное пособие разработано к. ф.-м. н., доц. кафедры общей физики Т.Ю.
Приваловой, старшим
преподавателем кафедры общей
физики
Ю.А.
Игнатовой, к. ф.-м. н., проф. кафедры общей физики Л.М. Монастырским, д.
ф.-м. н., проф. кафедры общей физики А.Л. Цветянским, доц.кафедры физики
П.Ф. Тарасенко.
Ответственный редактор:
д. ф.-м. н., проф. кафедры общей физики
А.С. Богатин
Компьютерный набор и верстка
Печатается в соответствии с решением кафедры общей физики физического
факультета ЮФУ, протокол № 6 от 11 ноября 2014г.
2
Введение
Лабораторный практикум является обязательной составляющей изучения курса
физики на естественных факультетах. В течение каждого семестра изучения
физики студенты должны выполнить лабораторные работы, тематика и
количество которых определены учебной программой курса для данного
направления.
Цели лабораторного физического практикума:
Изучение основ физики с использованием экспериментальных методов.
Знакомство с методикой проведения физического эксперимента.
Приобретение опыта проведения измерений физических величин и оценки их
погрешностей.
Для успешного выполнения лабораторной работы и получения зачета за
отведенное время студент обязан заранее подготовится к занятию и составить
конспект лабораторной работы в соответствии с требованиями методических
указаний. Если в течение аудиторного занятия студент не успел получить зачет
по лабораторной работе, он должен провести необходимую обработку
результатов измерений во внеучебное время, правильно оформить работу и
представить ее для получения зачета на следующем по расписанию
лабораторном занятии.
Организация учебного процесса в лабораториях осуществляется в соответствии
с утвержденными на кафедре общей физики нормами и правилами проведения
лабораторных работ, с которыми студенты знакомятся на первом занятии.
Этапы выполнения лабораторной работы:
получение допуска к лабораторной работе;
правильное и самостоятельное проведение измерений;
обработка результатов измерений;
получение зачета по лабораторной работе.
3
Подготовка к допуску осуществляется с использованием методических
указаний к лабораторной работе и рекомендованной литературы. Проводится
оформление раздела «Краткая теория» в конспекте лабораторной работы.
Допуск студентов к лабораторной работе преподаватель проводит в виде
собеседования со студентом. Подготовка к получению допуска к лабораторной
работе является основой для ее правильного, грамотного и наиболее быстрого
выполнения. В течение подготовки к допуску, которую необходимо проводить
заранее во внеучебное время, студент должен выполнить следующее:
Подготовить конспект лабораторной работы по установленной форме.
Изучить основы теории физического явления, исследуемого в лабораторной
работе, и запомнить формулировки понятий, используемых в теории.
Разобраться
с
выводом
основных
формул,
которые
используются
в
лабораторной работе. Понять вид функций и графиков, которые должны быть
получены в работе, а также значения или оценки рассчитываемых величин.
Понять процедуру проведения измерений и последовательность обработки
результатов измерения.
После получения допуска каждый студент самостоятельно проводит обработку
результатов измерения и их представление в соответствии с методическими
рекомендациями к лабораторной работе.
Итогом работы служит предоставление оформленного отчета по лабораторной
работе и получение зачета у преподавателя.
4
Лабораторная работа №
Магнитное поле в проводнике
Цель работы: исследование зависимости магнитной индукции внутри
проводника от расстояния от оси проводника, исследование зависимости
магнитной индукции внутри проводника как функции тока в проводнике.
Оборудование:
усилитель, генератор частоты, мультиметр, штатив с
измерительным прибором.
Краткая теория
Поле внутри проводника с током.
Индукция магнитного поля прямолинейного проводника с током является
кусочно-непрерывной функцией расстояния r до оси проводника (Рисунок 1). С
помощью теоремы о циркуляции индукции магнитного поля легко убедиться,
что снаружи проводника индукция поля выражается формулой
𝐵=
𝜇0 𝐼
2𝜋𝑟
,
а внутри проводника значение индукции зависит от распределения тока по
сечению
проводника.
Если
весь
ток
течет
только
по
поверхности
цилиндрического проводника, как это бывает в полой тонкостенной трубке или
в сверхпроводниках, то магнитного поля внутри нет. Зависимость индукции от
расстояния r до оси проводника имеет в этом случае вид, показанный на
рисунке 1а.
Если ток равномерно распределен по сечению проводника, то магнитное поле
внутри проводника пропорционально расстоянию от его оси (рис. 1 б). Чтобы
⃗ по круговому контуру радиуса r,
убедиться в этом, рассмотрим циркуляцию В
лежащему внутри проводника в плоскости, перпендикулярной его оси (рис. 1
в).
5
Рисунок 1 – Магнитное поле прямого тока, текущего: а) по поверхности
цилиндрического проводника; б) по всему сечению; в) к расчету магнитного
поля внутри проводника
По соображениям симметрии модуль вектора индукции одинаков для всех
точек, лежащих на такой окружности.
Так как магнитное поле направлено по касательной к окружности, то по
теореме о циркуляции имеем
𝐵 ∙ 2𝜋𝑟 = 𝜇0 𝐼 ′ ,
где 𝐼 ′ — ток, проходящий через заштрихованную на рисунке часть сечения
провода, охватываемую этой окружностью. При равномерном распределении
тока по сечению провода:
𝑟 2
′
𝐼 = 𝐼 (𝑅 )
,
поэтому согласно (1) индукция внутри проводника равна
𝜇
𝑟
𝐵 = 2𝜋0 𝐼 𝑅2 .
Ход работы и обработка результатов измерений
1. Собрать схему согласно рисункам 2 и 3.
6
Рисунок 2 – Схема установки
2
1
3
6
4
5
7
Рисунок 3 – Схема усилителя
7
На Усилителе НЧ (LF Amplifier) ручку (1) установить в положение 103 ,
ручку (2) - в минимальное положение, кнопку (3) - в положение АС. На
Мощностном генераторе частоты (Power frequency generator 1 MHz) ручка
(4) должна находиться в положении 103, а ручка (5) - в положении 10W/ext.
Включить прибор в сеть. В дальнейшем ручка (6) будет использоваться в
качестве регулировки силы тока, а с помощью ручки (7) будет происходить
регулировка частоты.
Упражнение 1. Определение магнитного поля в внутри проводника как
функция расстояния от оси проводника.
Рисунок 3 – Штатив с измерительным прибором
1. При включенном источнике питания и установленных выше пунктах
проверить, чтобы штатив с измерительным прибором располагался
непосредственно как на рисунке 3.
2. Частоту выставить с помощью ручки (7) на 5,5кГЦ. Снятие измерений
следует начинать с положения вне области цилиндра - на его поверхности.
8
3. Перед началом необходимо выставить ток 50мА. После чего, при изменении
положения курсора на измерительной шкале с шагом 5мм вдоль оси
симметрии перпендикулярной образующей цилиндра, проходящей через его
геометрический центр следует записывать показания прибора и значение
напряжения на милливольтметре.
4. При каждом вновь установленном положении штатива, проверьте, не
изменилась ли сила тока, допустимое отклонение силы тока 50± 1мА. Если
сила тока изменилась больше допустимого отклонения, необходимо
отрегулировать силу тока с помощью ручки (6).
5. Продолжать измерения до дна цилиндра.
6. Результаты измерений представьте в виде графика зависимости 𝑈 = 𝑓(𝑥).
Упражнение 2. Определения магнитного поля внутри проводника как
функция тока в проводнике.
1. Зафиксировать положение штатива на произвольном уровне (задается
преподавателем). Положение не должно соответствовать центру цилиндра
или очень близкой к нему точке.
2. С помощью ручки (6) вывести силу тока на миллиамперметре на 0мА.
3. Частоту выставить с помощью ручки (7) на 5,5кГЦ.
4. Изменяя силу тока от 0 до 100мА с шагом 10мА, записывать величину
напряжения и силу тока.
5. Результаты измерений необходимо представить в виде графика зависимости
𝑈 = 𝑓(𝐼).
9
Контрольные вопросы
1. Дайте определение магнитного поля.
2. Какие характеристики используются для описания магнитного поля?
3. Что представляют собой магнитные линии?
4. Сформулируйте теорему Гаусса для вектора магнитной индукции.
5. Почему
поток
вектора
магнитной
индукции
сквозь
замкнутую
поверхность всегда равен нулю?
6. Сформулируйте закон Био-Савара-Лапласа.
7. Выведите, используя закон Био-Савара-Лапласа, индукцию магнитного
поля бесконечного линейного проводника с током в зависимости от
расстояния от проводника.
8. Сформулируйте теорему оциркуляции вектора магнитной индукции.
9. Получите формулы для магнитной индукции поля внутри и вне
цилиндрического проводника с током в зависимости от расстояния от
проводника, используя теорему о циркуляции вектора магнитной
индукции.
10
Заключение
План оформления лабораторной работы:
1. Номер лабораторной работы.
2. Название лабораторной работы.
3. Цель работы.
4. Оборудование.
5. Краткая теория.
6. Описание установки.
7. Ход работы и обработка результатов измерений.
Все расчеты, необходимые для получения окончательных результатов
лабораторной работы, должны быть представлены в конспекте в форме,
доступной для проверки преподавателем. Все расчеты должны проводиться в
международной системе единиц измерения СИ.
На основе проведенных расчетов в конспекте лабораторной работы (если это
требуется) должны быть построены экспериментальные графики зависимостей
физических величин, предусмотренные методическими указаниями.
Требования по оформлению графиков:
1. Графики строятся на миллиметровой бумаге;
2. на графике: оси декартовой системы, на концах осей — стрелки, индексы
величин, единицы измерения, множители;
3. на каждой оси указывается масштаб;
4. под графиком указывается его полное название;
5. на графике должны быть отмечены экспериментальные точки
Результаты расчета физических величин, которые должны быть получены как
итог выполнения лабораторной работы. Окончательный результат должен быть
представлен в виде среднего значения измеренной физической величины с
указанием ее доверительного интервала.
Вывод по лабораторной работе должен включать в себя сравнение полученных
результатов с теоретическими положениями.
11
Список литературы
1. Сивухин Д. В. Общий курс физики / Д. В. Сивухин. М.: Физматлит, 2009. Т.
2. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм / А. Н. Матвеев. М.: Лань, 2010.
3. Калашников С. Г. Электричество / С. Г. Калашников. М.: Физматлит, 2008.
4. Савельев И. В. Курс физики / И. В. Савельев. М.: КноРус, 2012. - Т. 2.
12