Лабораторные работы¹⁾

1. Действие магнитного поля на проводник с током

Цель работы: изучить на опыте действие магнитного поля на проводник с током.

Оборудование: источник постоянного тока, два магнита²⁾, штатив с лапкой, катушка-моток, реостат, ключ, соединительные провода.

Подготовка к работе

Изучите описание работы и повторите соответствующий материал в учебнике (§ 2).

Содержание работы

На проводник с током, помещённый в магнитное поле, действует сила Ампера.

В данной работе изучается (качественно) зависимость силы Ампера от силы тока в проводнике и модуля магнитной индукции.

Ход работы

• Изучите на качественном уровне взаимодействие между катушкой с током и одним из постоянных магнитов (полосовым или дугообразным (рис. 1). С помощью реостата изменяйте силу тока в катушке³⁾. Запишите кратко свои наблюдения и сделанные вами выводы о зависимости силы Ампера от силы тока в проводнике.
• Повторите опыт, поместив внутрь катушки одноимённые полюсы двух магнитов. Сделайте качественный вывод о зависимости силы Ампера от модуля магнитной индукции. Запишите свой вывод.

Рис. 1

¹⁾ Записывать результаты прямых и косвенных измерений, а также строить графики надо с указанием погрешностей измерений. О расчёте погрешностей см. раздел «Погрешности измерений».

²⁾ Два полосовых магнита или полосовой и подковообразный магниты.

³⁾ Во избежание перегрева катушки ток в ней должен быть кратковременным, а сопротивление реостата надо изменять от половины его максимального значения до максимального. Предупредите учащихся, что катушка во время опыта может нагреться, поэтому к ней не следует прикасаться в течение 5 мин после отключения тока.

2. Исследование явления электромагнитной индукции. Конструирование трансформатора

Цели работы: определить на опыте, от чего зависят сила индукционного тока и его направление; познакомиться на опыте с принципом действия трансформатора.

Оборудование: миллиамперметр, катушка-моток, два магнита¹⁾, источник тока, две катушки²⁾ на общем сердечнике, реостат, ключ, соединительные провода.

Подготовка к работе

Изучите описание работы и повторите соответствующий материал в учебнике (§ 5—6), ознакомьтесь также с принципом работы трансформатора (§ 12).

Содержание работы

Индукционный ток в замкнутом проводящем контуре возникает при изменении магнитного потока через контур. В данной работе изучается (на качественном уровне) возникновение индукционного тока в проводящем контуре при изменении пронизывающего контур магнитного потока в двух случаях: вследствие изменения магнитного поля, пронизывающего неподвижный контур, а также при движении контура в постоянном магнитном поле.

Ход работы

• Надевая катушку на неподвижный полюс магнита и затем снимая с него катушку, наблюдайте за максимальным значением силы индукционного тока в катушке и направлением тока (рис. 2). Отметьте на качественном уровне, как зависит максимальное значение силы тока от скорости движения катушки, а также от того, с каким полюсом магнита производится опыт — северным или южным. Запишите свои наблюдения и сделанные вами выводы.

Рис. 2

¹⁾ Два полосовых или полосовой и подковообразный.

²⁾ Если в качестве катушек используются катушки-мотки, предупредите учащихся о возможном их нагревании.

• Повторите опыт, сложив два магнита (полосовой и дугообразный) одноимёнными полюсами. Запишите, какое вы заметили отличие, и следующий из него вывод.
• Соберите установку, схематически изображённую на рисунке 3 (две катушки, надетые на общий сердечник). Замыкая и размыкая цепь, а также изменяя положение ползунка реостата, наблюдайте за показаниями миллиамперметра. Запишите свои наблюдения и следующие из них выводы.
• Опишите кратко связь наблюдаемых в этом опыте явлений с принципом работы трансформатора¹⁾.

Рис. 3

3. Исследование вихревого электрического поля

Цель работы: оцепить значение модуля напряжённости вихревого электрического поля при возникновении индукционного тока в катушке.

Оборудование: катушка-моток, миллиамперметр, линейка, магнит.

Подготовка к работе

Изучите описание работы и повторите соответствующий материал в учебнике (§ 6).

Содержание работы

При изменении магнитного потока через катушку-моток в ней возникает индукционный ток. В данном опыте этот ток обусловлен вихревым электрическим полем, возникающим вследствие изменения во времени магнитного поля. Силу тока в катушке можно оцепить с помощью миллиамперметра по максимальному отклонению стрелки прибора.

Максимальное значение ЭДС индукции можно рассчитать по закону Ома для полной цепи: Е_i = IR, где I — максимальная сила тока в катушке-мотке, R — сопротивление катушки-мотка. Сопротивлением соединительных проводов и амперметра в данном опыте можно пренебречь.

¹⁾ Это задание можно дать на дополнительную оценку.

Максимальная ЭДС индукции связана с максимальным модулем напряжённости вихревого поля Е в проводе и длиной провода соотношением E_i = EL. Сравнивая это выражение для ЭДС индукции с написанным выше и учитывая выражение для сопротивления катушки, получаем:

Ход работы

• Измерьте миллиамперметром максимальную силу тока в катушке-мотке при движении магнита внутри катушки. Запишите результат измерений.
• Оцепите напряжённость вихревого электрического поля в области пространства, где находится провод. Запишите свои расчёты и полученный результат.
• Изучите (на качественном уровне), как изменяется максимальный модуль напряжённости электрического поля при увеличении и уменьшении скорости движения магнита внутри катушки. Запишите выводы.

4. Изучение колебаний пружинного маятника

Цель работы: изучить зависимость периода колебаний пружинного маятника от удлинения пружины, когда подвешенный к ней груз находится в равновесии.

Оборудование: штатив с муфтой и лапкой, пружина²⁾, грузы из набора по механике, секундомер или часы с секундной стрелкой, линейка.

Подготовка к работе

1. Изучите описание работы и повторите соответствующий материал в учебнике (§ 9, п. 1).

¹⁾ Если ученикам эти данные недоступны, то учитель сообщает их ученикам в начале урока.

²⁾ Данную работу не рекомендуется проводить, используя динамометр, из-за трения между указателем и шкалой.

*2. Запишите в тетради вывод формулы, связывающей период колебания подвешенного к пружине груза с удлинением пружины, когда подвешенный к ней груз находится в равновесии (§ 9).

Содержание работы

Обозначим x₁ удлинение пружины¹⁾ жёсткостью k под весом покоящегося груза массой m.

Используя условие равновесия груза, закон Гука и формулу для периода колебаний подвешенного на пружине груза, докажите, что период колебаний пружинного маятника связан с удлинением пружины под весом покоящегося груза соотношением

Отсюда следует, что квадрат периода колебаний пропорционален удлинению пружины под весом покоящегося груза.

Ход работы

• Закрепите пружину в лапке штатива и подвесьте к пружине один из предложенных вам одинаковых грузов. Измерьте удлинение пружины x₁. Запишите результаты измерений в таблицу (ниже приведён заголовок таблицы).

• Рукой отведите вниз подвешенный к пружине груз так, чтобы пружина удлинилась на 1—2 см, и отпустите. Измерьте период колебаний T₁ методом рядов (для этого измерьте, например, продолжительность двадцати колебаний, после чего разделите её на 20). Запишите результаты измерений в таблицу.
• Повторите эксперимент, подвесив к пружине ещё один такой же груз. Результаты измерений (с индексом 2) записывайте в таблицу.

¹⁾ Обратите внимание учащихся на то, что x₁ не является амплитудой колебаний.