Розділів фізики Електромагнетизм

Міністерство освіти та науки України

Житомирський державний технологічний

університет

 

 

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

до виконання лабораторних робіт з

розділів фізики “Електромагнетизм”,

“Коливання та хвилі”, “Оптика”

 

 

Житомир 2007

Лабораторна робота № 26

ВИВЧЕННЯ БУДОВИ І ПРОВЕДЕННЯ ВИМІРІВ З ЕЛЕКТРОННИМ ОСЦИЛОГРАФОМ

Мета роботи: вивчити будову і принципи дії електронного осцилографа, провести основні виміри з допомогою осцилографа.

Прилади та обладнання: два електронних осцилографа з інструкціями до них, електронно-променева трубка від осцилографа, вольтметр змінного струму, реостат, магазин опорів, набір невідомих опорів, звуковий генератор, джерело постійного та змінного струмів, конденсатор.

 

Будова електронного осцилографа безпосередньо вивчається студентами з використанням макета елекронно-променевої трубки, інструкції до осцилографа, його блок схеми. Ця частина роботи частково (теоретично) виконується вдома, а практична частина безпосередньо при роботі з приладами та макетами – в лабораторії. При цьому студент повинен вивчити:

1) будову, призначення і принцип роботи елекронно-променевої трубки з різними системами керуванням рухом електронного променя;

2) призначення генератора розгортки та синхронізуючого пристрою, режими їх функціонування та форми вихідних сигналів;

3) призначення підсилювачів та ослаблювачів напруги.

 

Порядок виконання роботи.

Завдання 1. Визначення чутливості елекронно-променевого осцилографа по осям X та Y.

Підготовити осцилограф до роботи. Перемістити світну точку в центр екрана.

Примітка. Дуже яскраву нерухому точку не рекомендується тримати на екрані тривалий час, тому що попадання електронів в одне й те саме місце екрана приводить до його вигорання.

 

Зміна відхилення променя в міліметрах, яке виникає при зміні напруги на відхиляючих пластинах на один вольт, називається диференційною чутливістю трубки.

Для експериментального визначення чутливості осцилографа необхідно скласти таке електричне коло (рис.26.1).

 

Рис.26.1.

 

4, 5 – клеми осцилографа пластин X, Y.

Через подільник напруги з мережі змінного струму подати напругу на вертикально відхиляючі пластини. Значення напруги при цьому контролюється вольтметром змінного струму. При вимкненому генераторі розгортки на екрані осцилографа з’явиться вертикальна лінія.

Виміряти довжину світної лінії. Оскільки вольтметри змінного струму вимірюють ефективні значення напруги, а осцилограф – амплітудні U₀, причому довжина лінії пропорційна подвійному значенню амплітуди, то чутливість трубки осцилографа знаходиться за формулою:

(26.1)

де l – довжина світної лінії на екрані в мм.

Виміри проводять для кількох напруг, які задає викладач (мінімум 4 виміри).

Після цього вимикають струм, перемикають клеми 4 і 5 на горизонтально відхиляючі пластини і проводять, увімкнувши струм, виміри в тій же послідовності, що й для вертикально відхиляючих пластин. Результати заносять до табл.1, табл.2.

Для розрахунку чутливості осцилографа по експериментальним даним використаємо метод найменших квадратів. Згідно з цим методом шуканий параметр знаходиться з умови мінімуму наступної функції:

де – кількість виконаних вимірів відхилення променя при поданій напрузі . Мінімум приведеного функціоналу досягається коли

Розв’язання останнього рівняння відносно приводить до наступної формули для розрахунку середньої чутливості електронно-променевої трубки по відповідним осям:

Результати розрахунку середньої чутливості по координатним осям Х і Y зводяться до табл.1, табл.2.

Таблиця 1

№ п/п	Напруга, що подається на входи осцилографа ,В	Довжина лінії вздовж відповідної осі Х,мм	,	,	Чутливість трубки по відповідній осі,мм/В
…

 

Таблиця 2

№ п/п	Напруга, що подається на входи осцилографа, В	Довжина лінії вздовж відповідної осі Y, мм	,	,	Чутливість трубки по відповідній осі, мм/В
…

 

По відомим параметрам та з врахуванням експериментальних даних , будуються графіки по відповідним осям.

Завдання 2. Дослідження з допомогою осцилографа синусоїдної напруги.

Якщо на клеми вертикально відхиляючих пластин подати невідому змінну напругу, то по довжині вертикальної лінії на екрані, знаючи чутливість електронно-променевої трубки, можна знайти значення цієї напруги. Таким чином, осцилограф можна використати як вольтметр.

Для виконання завдання потрібно перемалювати з екрана осцилографа синусоїду, використовуючи шкалу на екрані.

Якщо розгортку не вимикають, то під час розрахунків замість l беруть подвійну амплітуду синусоїди. По формулі (26.1) розрахувати максимальне і ефективне значення напруги.

 

Завдання 3. Спостереження на екрані осцилографа форми сигналу напруги генератора розгортки.

1. Ввімкнути другий осцилограф у мережу.

2. На вхід “У” другого осцилографа подати напругу генератора розгортки першого осцилографа. Ця напруга береться з позначених клем на бічній панелі осцилографа.

3. На екрані другого осцилографа одержати стійке зображення сигналу.

4. Зарисувати форму кривої напруги розгортки, використовуючи шкалу на екрані, та виміряти частоту сигналу.

Додаткові завдання

Для вимірювання невідомих опорів використовується таке електричне коло:  

Контрольні запитання та завдання

1. Що називають чутливістю електронно-променевої трубки по напрузі? Від яких параметрів трубки вона залежить? 2. Пояснити будову і принцип роботи електронно-променевої трубки. 3. Які основні функціональні блоки має осцилограф ?

Лабораторна робота №27

ВИМІРЮВАННЯ ЄМНОСТІ

Мета роботи: вивчити метод вимірювання ємності з допомогою моста змінного струму. Прилади та обладнання: магазин ємностей, набір конденсаторів з невідомою…  

Порядок виконання роботи

1. Зібрати робочу схему (рис.27.1), підготувати прилад ІНО до роботи і після хвилинного прогріву ручками “Фокус” та “Яскравість” добитися чіткої… 2. Ввімкнути живлення вимірювального містка. Пересуваючи повзунок реохорда… 3. Провести відлік довжин плечей реохорда і по шкалі на реохорді та повзунку (l=100 см). Такі виміри зробити не менш…

Контрольні запитання та завдання

1. Що називають електроємністю провідника та конденсатора ? 2. Розрахуйте ємність кулі радіуса R. Чи зміниться її ємність, якщо кулю… 3. Виведіть формулу для ємності плоского конденсатора з площею пластин S і відстанню між ними d.

Лабораторна робота №29

Мета роботи: визначити індуктивність котушок, активний і реактивний опір кола… Прилади та обладнання: монтажна плата з котушками індуктивності, звуковий генератор, вольтметр, міліамперметр.

Описання установки

Електрична схема лабораторної установки показана на рис.29.3. Як джерело змінного струму використовують звуковий генератор. Роль резистора відіграє… На монтажній платі закріплені дві котушки, причому передбачена можливість…  

Порядок виконання роботи

1. Зібрати схему (рис.29.3), використовуючи одну з котушок. 2. Ввімкнути звуковий генератор і встановити напругу на котушці, задану… 3. Для кожної напруги почергово виставити задані викладачем частоти і заміряти силу струму при кожній частоті. За…

Обробка результатів

1. Результати вимірювань і розрахунків занести в таблицю.   Номер котушки , В , Гц , рад/с ,…  

Контрольні запитання та завдання

2. Що називають реактивним індуктивним опором ? 3. Виведіть закон Ома для кола змінного струму з індуктивністю. 4. Довести, що існує зсув фаз між напругою на котушці та силою змінного струму в колі.

Лабораторна робота №30

ПОБУДОВА КРИВОЇ НАМАГНІЧУВАННЯ І СПОСТЕРЕЖЕННЯ ПЕТЛІ ГІСТЕРЕЗІСУ ФЕРОМАГНЕТИКІВ У ЗМІННИХ МАГНІТНИХ ПОЛЯХ

Мета роботи: вивчити магнітні властивості феромагнетиків за допомогою осцилографа.

Прилади та обладнання: осцилограф, конденсатор, магазин опорів, реостат, тороїд з осердям з феромагнетика, провідники.

 

Теоретичні відомості

Феромагнетикам властиве явище гістерезісу, яке пов’язане з нелінійною залежністю магнітної індукції В від напруженості магнітного поля Н. Магнітна… Якщо ненамагнічений феромагнетик розмістити в магнітному полі, індукція якого… Оскільки феромагнетику властиве явище залишкового намагнічування, то при зменшенні індукції В0 до 0, крива…

Описання установки

Петлю гістерезісу можна отримати на екрані осцилографа. Якщо на горизонтально відхиляючі пластини подати напругу , пропорційну , а на вертикально… На рис. 2 показана схема установки.  

Порядок виконання роботи

Завдання 1. Зняття кривої намагнічування. 1. Зібрати схему згідно з рисунком. 2. Ввімкнути осцилограф і вивести електронний промінь у центр координатної сітки.

Контрольні запитання та завдання

1. Якими фізичними величинами описується магнітне поле в речовині та вакуумі ? 2. Якими фізичними величинами характеризується взаємодія речовини з магнітним… 3. Що таке явище магнітного гістерезісу?

Лабораторна робота № 31

ЗАТУХАЮЧІ КОЛИВАННЯ В КОНТУРІ

 

Мета роботи – дослідити залежність характеристик затухаючих коливань від параметрів електричного контуру та освоїти методику використання осцилографа для вимірювань цих характеристик.

Прилади та пристрої: панель зі змонтованим контуром, осцилограф, з’єднувальні провідники.

 

Короткі теоретичні відомості

Електричний коливальний контур складається з конденсатора С, котушки індуктивності L та резистора R (рис.31.1). Рис.31.1.

Порядок виконання роботи

1. Увімкнути осцилограф в електричну мережу (220 В) і підготувати його до роботи в режимі “Розгортка”. Ручками “Фокус”, “Яскравість”, переміщення «»… 2. Установити перемикачі П1 і П2 за вказівкою викладача. 3. Увімкнути ГІ і спостерігати затухаючі коливання, встановивши ручкою “Підсилення” необхідну амплітуду затухаючих…

Контрольні запитання та завдання

1. Що називають періодом коливань і як його обчислюють для вільних гармонічних та затухаючих коливань в електричному коливальному контурі ? 2. Що називають (логарифмічний) декремент затухання і як його обчислюють в… 3. Пояснити процес утворення вільних електричних коливань в коливальному контурі.

Лабораторна робота №32

ВИМУШЕНІ КОЛИВАННЯ В КОНТУРІ

Мета роботи -вивчити явище резонансу в електричному контурі.

Прилади та пристрої: конденсатор, котушка індуктивності, набір опорів, ламповий вольтметр, генератор стандартних сигналів.

 

Короткі теоретичні відомості

У колі (рис.32.1), що складається з послідовно з'єднаних активного R, індуктивного і ємнісного опорів і живиться змінним струмом , амплітуда сили… або   (32.1) ω – циклічна частота струму; U0 - амплітудне значення напруги на клемах джерела струму; L , C - індуктивність і…

Порядок виконання роботи

1. Скласти схему (рис.32.3), увімкнути ламповий вольтметр і генератор у мережу змінного струму.   Рис.32.3   2. Установити в контурі додатковий опір . Змінюючи частоту генератора, впевнитись спочатку чисто якісно в наявності…

Контрольні запитання та завдання

1. Що називають вимушеними коливаннями ? 2. Що називають добротністю коливальної системи, і від чого вона залежить ? … 3. Що таке резонанс і резонансна частота ?

Лабораторна робота №33

ДОДАВАННЯ ВЗАЄМНО ПЕРПЕНДИКУЛЯРНИХ ГАРМОНІЧНИХ КОЛИВАНЬ

Прилади та пристрої: електронний осцилограф, звуковий генератор, генератор стандартних сигналів.   Короткі теоретичні відомості

Порядок виконання роботи

1. Скласти схему за рис.33.4. 2. Вимкнути генератор розгортки осцилографа та ввімкнути в мережу осцилограф і… 3. Установити частоту генератора стандартних сигналів, задану викладачем.   Рис.33.4

Контрольні запитання та завдання

1. Яке коливання називається гармонічним? Записати рівняння гармонічних коливань. 2. Що називається періодом, частотою і фазою коливання? 3. Придумати механічну модель додавання взаємно перпендикулярних коливань, наприклад, при співвідношенні частот 1/2. …

Лабораторна робота №34

ДОСЛІДЖЕННЯ ПОПЕРЕЧНИХ ХВИЛЬ В ШНУРІ

 

Мета роботи – визначити експериментально швидкість поширення поперечних хвиль у шнурі і порівняти отримані результати з теоретичними.

Прилади та пристрої: установка для визначення швидкості поширення поперечних хвиль у шнурі, звуковий генератор електричних коливань, важки.

 

Короткі теоретичні відомості

Швидкість поширення поперечних хвиль у шнурі можна визначити експериментально, виходячи з формули: (34.1) де – довжина хвилі; – частота коливань генератора (ці величини знаходять під… З іншого боку, теоретичні розрахунки приводять до такого виразу для швидкості хвиль у шнурі: (34.2) …

Опис установки

  Установка для проведення експерименту (рис.34.1) включає в себе генератор… До електромагніта кріпиться один кінець шнура, другий кінець якого з'єднаний з чашечкою 2 під важки. Поруч зі шнуром…

Порядок виконання роботи

1. За вказівкою викладача, встановивши певну довжину шнура та навантаження чашечки 2 важками, підібрати частоту на генераторі, щоб спостерігалась… 2. Поділивши довжину шнура на число пучностей, що спостерігаються, знайти lп і… 3. Змінивши навантаження чашечки 2, при незмінному l отримати ще дві стоячі хвилі з іншим заданим числом пучностей. …

Контрольні запитання та завдання

1. Якими фізичними величинами характеризується хвиля ? Дати їх визначення. 2. Вивести рівняння плоскої хвилі на основі рівняння гармонічних коливань. Що… 3. Що таке стояча хвиля і як вона утворюється?

Лабораторна робота №35

ПОШИРЕННЯ ЗВУКУ В ПОВІТРІ

 

Мета роботи – визначити швидкість звуку в повітрі методом резонансу.

Прилади і пристрої: трубка з рухомим поршнем, звуковий генератор з телефоном, вимірювальна лінійка, ламповий вольтметр (або осцилограф).

 

Короткі теоретичні відомості

Метод визначення швидкості звуку базується на властивості звукової стоячої хвилі, яка виникає при інтерференції біжучих назустріч одна одній хвиль.…     Рис.35.1  

Порядок виконання роботи

Джерелом звуку в даній роботі служить телефон Т, підімкнений до звукового генератора ЗГ. Для отримання звукового сигналу треба ввімкнути генератор в… 1. Повільно переміщувати поршень від телефону, зафіксувати з допомогою… 2. Виміряти віддаль між цими точками і результати записати в таблицю.

Контрольні запитання та завдання

2. Яка природа звукової хвилі ? 3. Як пов’язана швидкість поширення звукових коливань з характеристиками… 4. Пояснити механізм утворення стоячих хвиль. Вивести формулу стоячої хвилі.

Лабораторна робота № 39

ВИВЧЕННЯ ЯВИЩА ІНТЕРФЕРЕНЦІЇ СВІТЛА

НА ПРИКЛАДІ КІЛЕЦЬ НЬЮТОНА

Мета роботи: вивчити явище інтерференції світла в тонких плівках змінної товщини; експериментально визначити довжину хвилі світла за допомогою кілець Ньютона.

Обладнання: система плоско-опукла лінза – плоско-паралельна пластинка, інструментальний мікроскоп, освітлювач, набір світлофільтрів.

Теоретичні відомості

Прикладом інтерференції світла в тонких плівках є кільця Ньютона, які вперше спостерігав І.Ньютон ще в 1675 році. Такі кільця виникають при…  

Описання установки

 

Для вимірювання діаметрів кілець Ньютона використовується інструментальний мікроскоп, в окулярі якого знаходиться візир (перехрестя ниток). Столик мікроскопа можна переміщувати горизонтально у двох взаємно перпендикулярних напрямках за допомогою мікрометричних гвинтів. На столику мікроскопа розміщена плоско-опукла лінза, яка опуклою стороною лежить на плоско-паралельній пластинці.

 

Порядок виконання роботи

1. Одержати у викладача завдання: номери кілець, діаметр яких потрібно виміряти, колір світлофільтра. 2. Ввімкнути освітлювач і, не торкаючись системи лінза – пластинка,… 3. Повертаючи відповідний барабан, навести візир на найвищу і найнижчу точку вертикального діаметра заданого кільця,…

Додаткове завдання

 

1. Дослідити, міняючи світлофільтри, як залежить діаметр кільця від довжини хвилі.

2. Провести спостереження кілець Ньютона при освітленні установки складним білим світлом.

3. Теоретично розраховувати радіуси світлих кілець Ньютона для випадку, коли в установці плоско-паралельна пластинка змінена плоско-опуклою лінзою (такою самою, як і перша). Лінзи дотикаються опуклими поверхнями, а осі їх збігаються.

 

Контрольні запитання і завдання

1. За допомогою рисунків пояснити виникнення смуг однакової товщини і смуг однакового нахилу. 2. Знайти товщину повітряного зазору в тих місцях, де спостерігається… 3. Вивести формулу для радіусів темних і світлих кілець Ньютона за умови, що між лінзою і плоско-паралельною…

Лабораторна робота № 41

ВИВЧЕННЯ ЯВИЩА ДИФРАКЦІЇ СВІТЛА

 

Мета роботи – вивчити явище дифракції світла за допомогою дифракціної решітки.

Обладнання: гоніометр, дифракційна решітка, освітлювач, світлофільтри.

Теоретичні відомості

Дифракцією називається сукупність явищ, що спостерігаються при поширенні світла з різкими неоднорідностями (малі отвори, щілини, границі непрозорих… Дифракційною решіткою називається сукупність великого числа однакових щілин,…  

Описання установки

На нерухомій платформі 9 встановлено дифракційну решітку 3 з періодом d = 0,01 мм (решітку можна побачити, знявши кришку корпуса 2), освітлювач 1 зі… Рис.41.2.

Порядок виконання роботи

1. Ввімкнути через знижуючий трансформатор освітлювач 1 в мережу. Візуально перевірити наявність головних дифракційних максимумів. 2. Вставити в тримач світлофільтр. Визначити кути, під якими видно… 3. Аналогічні вимірювання провести для інших світлофільтрів, кольори яких вкаже викладач.

Контрольні запитання

1а. Чим відрізняється дифракція Фраунгофера від дифракції Френеля? 2а. Вивести формулу для дифракційного максимуму. 1б. Чим відрізняються головні і вторинні дифракційні максимуми, одержані за допомогою дифракційної решітки.

Лабораторна робота № 42

ПЕРЕВІРКА ЗАКОНУ МАЛЮСА

 

Мета роботи – вивчити явище поляризації світла і перевірити закон Малюса.

Обладнання: поляроїди, джерело світла, фотоелемент, гальванометр.

 

Теоретичні відомості та описання установки

За допомогою спеціальних пристроїв (призма Ніколя, поляроїд і т.ін.) природне світло може бути перетворене в лінійно-поляризоване. Основна… У даній роботі досліджуються лінійно-поляризовані (малі) кристали геропатиту… Розглянемо установку, що складається із джерела світла S, двох поляроїдів П і А, фотоелемента Ф (рис. 42.1). Проходячи…

Порядок виконання роботи

2. Тепер зміщуємо положення мітки поляризатора на і записуємо відповідне значення і. Обернувши поляризатор на з кроком в , матимемо набір значень…   , … … …  

Контрольні запитання

1. Чим відрізняються світлові хвилі від радіохвиль? 2. Пояснити структуру плоскої електромагнітної хвилі. Чому вона називається… 3. Пояснити за рис. 42.1 явище поляризації світла.

Додаток

Таблиця 1

Одиниці електричних і магнітних величин в СІ

Таблиця 2

Десяткові приставки до назв одиниць

Таблиця 3

Робота виходу електронів із металу

Таблиця 4

Відносні діелектричні проникності

Таблиця 5

Електричні властивості металів

Таблиця 6

Деякі фізичні сталі

Таблиця 7

Наближені значення довжин хвиль світла, що відповідають основним спектральним кольорам.

Таблиця 8

Показники заломлення

Алмаз	2,42	Сірковуглець	1,63
Вода	1,33	Скіпідар	1,48
Лід	1,31	Скло	1,5…1,9
Повітря	1,00029

 

Список літератури

 

1. Савельев И.В. Курс общей физики. - М. : Наука, 1978. - Т. 1,2.

2. Трофимова Т.Н. Курс фізики. - М.: Вища шк., 1990.

3. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Вища шк., 1989.

4. Черкашин В.П. Физика. Електричество и магнетизм. - Киев : Вища шк., 1989.

5. Кортнев А.Р. и др. Практикум по курсу общей физики. - М.: Вища шк., 1965.

6. Калашников С.Г. Електричество. - М.: Вища шк., 1985.

7. Майсова Н.И. Практикум по курсу общей физики. - М.: Вища шк., 1970.

8. Рублев Ю.В. и др. Практимум по електричеству. - М.: Вища шк., 1971.

9. Чепуренко В.Г. Руководство к лаборат. работам по физике. - Киев: Изд-во КГУ, 1963.

10. Барсуков К.А., Уханов Ю.М. Лаболаторний практикум по физике. - М.: Вища шк., 1988.

11. Чертов А.Г., Воробьев А.А. Задачник по физике. - М.: Вища шк., 1988.

12. Загальна фізика. Лабораторний практикум. / За загальною редакцією І.Т.Горбачука., – К.: Вища школа, 1992.

13. Козлов В.И. Общий физический практикум. Електричество и магнетизм. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987.

14. Практикум по физике. Електричество и магнетизм. / Под ред. Ф.А. Николаева. - М.: Вища шк., 1991.