Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего.

Благодаря тепловому движению молекулы жидкости переходят из одного слоя в другой, перенося с собой некоторое количество движения Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru : молекулы из менее удаленного от пластины слоя переходят в слой с большей скоростью и, таким образом, уменьшают количество его движения, а значит и скорость. Наоборот, молекулы из более быстрых слоев переходят в слой, движущийся с меньшей скоростью, увеличивая количество движения, а значит и скорость последнего.

Сила F внутреннего трения (или вязкости), как показал Ньютон, пропорциональна площади S соприкосновения слоев жидкости, а также градиенту скорости вдоль оси Y, т.е. вдоль направления, перпендикулярного движению жидкости. Градиент скорости равен изменению скорости на каждую единицу длины, т.е. Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Формулу для силы F можно записать так:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (1.1)

где Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - коэффициент пропорциональности, различный для разных жидкостей. Именно этот коэффициент определяет вязкие свойства данной жидкости. Называется коэффициентом динамической вязкости.

Смысл его ясен из формулы (1.1). Если градиент скорости равен Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru единице (это значит, что на каждой единице длины вдоль оси Y скорость меняется на единицу) и S = 1, то F = h, т.е. коэффициент вязкости равен силе, действующей на каждую единицу площади соприкосновения слоев при градиенте скорости, равной единице. В системе СИ коэффициент h измеряется в кг/м с.

На твердый шарик, падающий в вязкой жидкости, действуют три силы: сила тяжести Р, выталкивающая сила (сила Архимеда) FА и сила сопротивления, обусловленная силами внутреннего трения жидкости FС . Зная объем шарика V, его плотность r, плотность жидкости r’’, силу тяжести и силу Архимеда можно выразить формулами:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.2)

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.3)

где r - радиус шарика;

g - ускорение свободного падения.

Сила сопротивления FС для тел сферической формы была вычислена Стоксом и оказалась равной

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.4)

где h - коэффициент вязкости;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - скорость падения шарика.

Эти три силы будут направлены по одной прямой: сила тяжести - вниз, сила Архимеда и сила сопротивления - вверх. Согласно второму закону Ньютона векторная сумма сил, действующих на тело, определяет его ускорение: Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . Для шарика в проекции на вертикальную ось закон примет вид: P – FА – FС = ma (1.5), где m - масса шарика.

В начальный момент времени скорость шарика равна нулю и

FC =0 (см.1.4), Р > FA, поэтому ускорение шарика направлено вниз и его скорость начинает увеличиваться, что приводит к увеличению силы сопротивления и к уменьшению ускорения. (силы FA и P при этом не меняются ). По истечении некоторого времени с начала движения шарика его ускорение станет равным нулю. Дальнейшее движение шарика в жидкости будет равномерным, со скоростью v. Из (1.5) с учетом (1.2); (1.3); (1.4) и при условии а = 0 получим:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , откуда

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.6)

Скорость равномерного движения шарика можно определить, измерив время t, за которое шарик проходит путь Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (1.7)

Из (1.6) с учетом (1.7) для коэффициента вязкости получим формулу

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.8)

Согласно полученному выражению, проведя измерения Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , r, t и зная табличные данные r’ , r’’ и константу g, можно экспериментально определить коэффициент вязкости.

2. ЗАДАНИЕ

2.1. Теоретическая часть

1. Дать определения следующим понятиям: коэффициент вязкости, градиент скорости.

2. Изобразить на рисунке все силы, действующие на шарик, падающий в жидкости , записать законы для каждой из сил и пояснить словами все буквенные обозначения.

3. Записать второй закон Ньютона для движения шарика в векторной форме и в проекции на вертикальную ось.

4. Проанализировать записанный закон и изобразить примерные графики зависимости ускорения и скорости шарика от времени.

5. Указать на графиках интервал времени, в котором должны проводиться измерения (обосновать выбор этого интервала)

6. Записать второй закон Ньютона в проекции на вертикальную ось для выбранного интервала времени.

7. Вывести рабочую формулу для определения коэффициента вязкости.

Дополнительные вопросы:

8. Как изменится скорость установившегося движения шарика в вязкой жидкости при изменении его радиуса?

9. Описать падение шарика в жидкости, если его начальная скорость больше, чем скорость установившегося равномерного движения.

2.2. Экспериментальная часть

1. Измерить время падения шарика между двумя горизонтальными метками на цилиндре с исследуемой жидкостью.

Повторить измерения не менее 10 раз.

2. Определить расстояние между метками. Радиус шарика, плотность жидкости и материала шарика - по указанию преподавателя.

3. Вычислить коэффициент вязкости жидкости по формуле (1.8).

4. Оценить погрешности прямых измерений и погрешность полученного результата для коэффициента вязкости жидкости.

5. Оценить правдоподобность результата путем его сравнения с табличными значениями для разных жидкостей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 102

ИЗУЧЕНИЕ ОСНОВНОГО ЗАКОНА ДИНАМИКИ ВРАЩАТЕЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ НА МАЯТНИКЕ ОБЕРБЕКА

Приборы и оборудование: маятник Обербека, набор грузов, секундо­мер, масштабная линейка, штангенциркуль.

1. ТЕОРИЯ МЕТОДА

Основной закон динамики (II закон Ньютона) в качественной формулировке одинаков как для поступательного, так и для враща­тельного движения: ускорения, приобретаемые телами, прямо пропор­циональны интенсивности внешних воздействий и обратно пропорцио­нальны собственным инертным свойствам тел. Запись этого закона в количественной формулировке различна для разных видов движения, поскольку величины, характеризующие интенсивность внешних воздей­ствий и собственные инертные свойства тел, не одинаковы для пос­тупательного и вращательного движений. (см. таблицу)

Характеристика движений Поступательное движение Вращательное движение
Мера инертных свойств тела Масса (m) Момент инерции (I)
Мера интенсивности внешних воздействий Сила Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Момент силы Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru
Запись второго закона Ньютона Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Момент инерции материальной точки равен произведению массы точки m на квадрат расстояния от оси вращения до точки r

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Момент инерции тела, как и масса, является величиной аддитивной, то есть момент инерции системы материальных точек равен сумме их моментов инерции

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Разбивая любое тело на небольшие объемы (их можно рассматри­вать как материальные точки), и интегрируя по объему, можно вы­числить момент инерции тела произвольной формы относительно оси вращения

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ,

где Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - плотность тела;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - расстояние от точки массой Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru до оси вращения.

Момент инерции тела отражает инертные свойства тела во вра­щательном движении. Он зависит не только от массы тела, но и от её распределения относительно оси вращения, то есть от формы тела и расположения оси вращения.

Моментом силы (вращающим моментом) Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru называется векторная величина, равная векторному произведению радиус-вектора Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , про­веденного от оси вращения в точку приложения силы, на проекцию силы на плоскость, перпендикулярную оси вращения Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Модуль вращающего момента силы:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ,

где a - угол между радиус-вектором Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и вектором силы Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ;

h - плечо силы, равное кратчайшему расстоянию между осью вра­щения и линией действия силы.

Под силой здесь понимается ее составляющая, лежащая в плос­кости вращения (плоскости, перпендикулярной оси вращения). Сос­тавляющая силы, параллельная оси вращения, не будет вызывать вра­щения. Момент силы направлен вдоль оси вращения в ту сторону, от­куда вращение под действием данной силы кажется происходящим про­тив часовой стрелки, то есть направление вектора и момента силы и направление поворота тела под действием силы связаны правилом правого винта.

Угловое ускорение - это векторная физическая величина, ха­рактеризующая быстроту изменения угловой скорости, численно рав­ная первой производной от угловой скорости по времени Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и направленная в ту же сторону, что и угловая скорость, если эта скорость возрастает, и противоположно угловой скорости, если она убывает.

Прибор (маятник Обербека) для изучения основного закона ди­намики вращательного движения схематически изображен на рис. 1. Он состоит из четырех стержней и двух шкивов различных радиусов (r1 и r2 ), укрепленных на общей оси. По стержням могут переме­щаться и закрепляться четыре груза (по одному на каждом стержне) одинаковой массы.

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Момент силы создается набором грузов, подвешенных к нити, которая наматывается на один из шкивов.

Уравнение поступательного движения груза ( второй закон Ньютона в проекции на вертикальную ось) запишется в виде

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.1)

где m – масса тела;

a - ускорение поступательного движения груза;

g - ускорение свободного падения;

T- сила натяжения нити.

Момент силы, создаваемый грузом m, равен произведению силы натяжения нити T на радиус шкива r

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.2)

Измеряя время t, в течение которого груз m из состояния покоя опустится на высоту h, найдем ускорение груза

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (1.3)

которое связано с угловым ускорением соотношением

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (1.4)

Из (1.1 ¸ 1.4) получаем рабочие формулы для определения углового ускорения системы и момента силы натяжения нити

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ; (1.5)

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (1.6)

Так как на вращающуюся систему кроме момента силы натяжения нити действует момент силы трения (который в условиях опыта можно счи­тать практически постоянным), то основное уравнение динамики вра­щательного движения запишется как

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru или Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (1.7)

откуда видно, что график зависимости между M и Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru при Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru должен иметь вид прямой, причем момент инерции I определяет тан­генс угла наклона этой прямой к оси « Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru », а момент силы трения Mтр- точку пересечения с осью «M».

Для проверки соотношения (1.7) необходимо определить угло­вое ускорение системы при нескольких разных значениях момента си­лы натяжения нити и нанести экспериментальные точки на график. Так как любые измерения имеют погрешность, экспериментальные точ­ки не лягут точно на прямую. Однако, если отклонения этих точек от прямой не превышают погрешностей выбранного метода измерений, то проверяемое соотношение считается верным. Существует нес­колько методов оценки степени отклонения экспериментальных ре­зультатов от теоретической прямой. Рассмотрим два из них.

О
М
Первый способ сводится к тому, что для каждого измерения оп­ределяются погрешности величин Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и М, и на график наносятся экспе­риментальные точки с учетом этих погрешностей в виде прямоуголь­ников (рис. 2).

 
  Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 2

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru
Если теперь через эти прямоугольники можно провести прямую, то делается вывод, что в пределах выбранной точности измерений существует линейная зависимость между Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и М. Понятно, что в этом случае проведенная прямая не является единственной, поэтому опи­санный метод является грубым и не позволяет сделать количествен­ных оценок величин I и М.

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Второй метод более точный, но и более громоздкий. Обработку экспериментальных результатов этим методом более целесообразно проводить с помощью ЭВМ. Экспериментальные точки наносятся на график в виде маленьких кружочков или крестиков (рис. 3), а нак­лон прямой и точку ее пересечения с осью М определяют по методу наименьших квадратов (см. приложение).

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 3

Если проверяемая формула (1.7) верна, то отклонения эксперимен­тальных точек от построенной прямой не должны превышать сумму погрешностей определенных значений Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и Мтр. Оценка этих погрешностей для условий лаборатории дает значение порядка 10%, поэтому для проверки формулы (1.7) достаточно определить отклонение DМ, наиболее удаленной от графика экспериментальной точки (если она не является промахом), например, точки А на рис.2. Если ( Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru )100%<10%, то проверяемая формула верна в пределах точ­ности проведенных измерений.

2. ЗАДАНИЕ

2.1. Теоретическая часть

1. Дать определение следующим понятиям: момент силы, момент инер­ции, угловое ускорение (Что характеризует каждая из величин, как определяется её численное значение , каково её направление, если величина векторная?). Пояснить на рисунке смысл использованных буквенных обозначений.

2. Сформулировать II закон Ньютона для вращательного движения (словами

и аналитически) . Изобразить графически характер зависимости углового

ускорения от действующего момента сил (при постоянном моменте

инерции) и от момента инерции (при постоянном моменте сил).

3.Каким образом в работе предлагается проверить спра­ведливость основного уравнения динамики вращательного движения?

4. Какими способами на маятнике Обербека можно изменить момент силы ?

5. Какими способами на маятнике Обербека можно изменить момент инерции системы?

6. Вывести рабочие формулы для определения углового ускорения и момента силы натяжения нити.

2.2. Экспериментальная часть

1. Установить грузики на спицах маятника Обербека в положение, указанное преподавателем, и сбалансировать маятник.

(Почему необходима балансировка?).

2. Привести систему во вращение с помощью грузика m, подвешенно­го к нити, и измерить:

а) высоту опускания грузика;

б) время опускания грузика (не менее трех раз);

в) радиус шкива, на котором намотана нить.

3. Повторить измерения по п.2., изменяя массу грузика так, чтобы получилось не менее 4-х экспериментальных точек. Все данные занести в таблицу.

4. Вычислить угловое ускорение и момент силы в каждом из 4 ва­риантов опыта по формулам (1.5) и (1.6).

5. Нанести экспериментальные точки на график зависимости между Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и М.

6. Проверить выполнимость основного закона динамики вращательно­го движения одним из методов, описанных в тексте (по указанию преподавателя).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 209

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГОРИЗОНТАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ НАПРЯЖЕННОСТИ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: блок питания, сменный модуль, магазин сопротивления, измерительный прибор.

1.ТЕОРИЯ МЕТОДА

Земля - естественный магнит, магнитное поле которого, как полагают современные теории, обусловлено, в основном токами, текущими по поверхности ядра Земли и частично намагниченностью горных пород Земли.

Магнитное поле невидимо, но его можно обнаружить с помощью магнитной стрелки (или пробного контура с током).

Для наглядного представления магнитных полей используют линии напряженности (индукции) - линии, касательные к которым в каждой точке совпадают с вектором напряженности.

Магнитное поле Земли представлено на рис. 1. Северный магнитный полюс N - в нынешнюю геологическую эпоху располагается вблизи южного географического S, а южный магнитный S - вблизи северного географического n.

 
  Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 1

Наибольшее практическое значение имеет горизонтальная составляющая вектора напряженности магнитного поля Земли Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ,направление которой принимается за направление магнитного меридиана.

Для определения горизонтальной составляющей Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru воспользуемся

методом сравнения с искусственным магнитным полем Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , созданным электрическим током, текущем по проводнику и направленным перпендикулярно Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Пусть магнитный меридиан MN располагается в плоскости чертежа, как показано на рис. 2. Направление горизонтальной составляющей в точке А нам покажет магнитная стрелка, помещенная в эту точку (положение 1 рис. 2). Создадим в этой точке искусственное поле Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . Поля по принципу суперпозиции складываются геометрически: Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . Магнитная стрелка повернется на угол Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и установится вдоль результирующего поля Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru рез (положение 2, рис. 2).

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 2

Из геометрии рис. 2 Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , отсюда

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (1)

Искусственное поле Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru создается с помощью электрического тока, текущего по кольцевым проводникам (колеца Гельмгольца), которые представляют собой две одинаковые катушки (содержащие одинаковое число проволочных витков Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ), расположенные симметрично оси магнитной стрелки компаса (рис. 5), поэтому

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (2)

где Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - напряженность магнитного поля катушки;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - число витков в катушке;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - напряженность магнитного поля, создаваемого проволочным витком.

Напряженность магнитного поля витка Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru вычисляется на основании принципа суперпозиции и закона Био-Савара-Лапласа.

В соответствии с принципом суперпозиции напряженность магнитного поля Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru на оси витка в точке А равна геометрической сумме напряженностей полей Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , создаваемых элементами витка Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru в этой точке

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (3)

В соответствии с законом Био-Савара-Лапласа

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Построив векторы Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru от всех элементов тока (по правилу векторного произведения) замечаем, что они образуют коническую поверхность (рис. 3)

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 3

Для определения модуля напряженности НВ запишем уравнение (3) в проекциях на оси х, у, z:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

и найдем Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Для любой пары диаметрально противоположных элементов (например dl1 и dl2) проекции векторов Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru на ось у равны по абсолютной величине и имеют противоположные знаки, поэтому в сумме дают ноль, тогда Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru =0. Аналогично для проекций на ось z: Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru =0.

Проекции же на ось х для всех векторов Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru имеют одинаковые знаки, тогда

HB= Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (4)

На основании закона Био-Савара-Лапласа модуль Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru найдется, как

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ,

А его проекция на ось х:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (5)

где α – угол между Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ; α=90°; sinα=1;

β – угол между Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru и осью х (рис.4), β одинаков для всех элементов тока

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 4

Подставляя (5) в (4), получим

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (6)

где R – радиус витка.

В треугольнике ОВА ÐВ=β, Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru ; Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

С учетом этих соотношений для модуля напряженности поля, созданного одним витком, по которому течет ток I, получаем:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (7)

Так как в каждой катушке n витков, а токи в катушках направлены так, что их магнитные поля усиливают друг друга

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (8)

Подставляя это выражение в (1), окончательно получаем рабочую формулу для определения горизонтальной составляющей поля Земли

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (9)

2. ЗАДАНИЕ

2.1. Теоретическая часть

1. Какой метод используется для определения напряженности магнитного поля Земли а данной работе?

2. На какое поле реагирует магнитная стрелка?

3. Запишите связь между горизонтальной составляющей поля Земли (Н0) и напряженностью поля тока (Н1)в данном методе? При каком условии эта связь справедлива? Поясните с помощью рисунка взаимную ориентацию Н0 и Н1 и укажите на рисунке расположение колец Гельмгольца.

4. Напряженность магнитного поля,созданного электрическим током, определяется на основе закона Био-Савара-Лапласа и принципа суперпозиции полей. Что определяет закон Био-Савара-Лапласа? Запишите этот закон в векторной форме и по модулю, поясните словами и с помощью рисунка все величины в него входящие. Чему равен угол между Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (проверьте сделанный вами рисунок!)

5. Принцип суперпозиции для нахождения напряженности магнитного поля, созданного одним витком колец Гельмгольца, записывается в виде: Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , почему не справедливо аналогичное равенство для модулей векторов НВ и dН ?

6. Как найти модуль НВ, если известен модуль dН (по закону Био-Савара-Лапласа) и его проекции на координатные оси?

7. Запишите формулу для расчета напряженности магнитного поля, созданного током в экспериментальной установке, и окончательную рабочую формулу для экспериментального определения горизонтальной составляющей напряженности магнитного поля Земли, поясните словами все буквенные обозначения в этих формулах.

2.2. Экспериментальная часть

1. Соедините сменный модуль с блоком питания, в результате этого образуется цепь (рис.4).

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 5

где 1 - кольца Гемгольца; 4 - миллиамперметр;

2 - компас; 5 - переключатель направления тока;

3 - магазин сопротивлений; 6 - блок питания.

2. Поверните кольца Гемгольца (при отсутствии тока в них) так, чтобы стрелка компаса была параллельна плоскостям колец.

3. Замкните переключатель в положение 1. С помощью магазина сопротивлений установите определенное значение тока (по указанию преподавателя). Определите угол отклонения стрелки компаса Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru при этом токе.

4. Переведите переключатель направления тока в положение 2 (противоположное первому). Определите силу тока I2 и угол отклонения стрелки Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (течет ток противоположного направления).

5. Повторите измерения, поочередно выполняя действия п.3, п.4. Результаты занесите в таблицу 1.

6. Вычислите по формуле (9) значение горизонтальной составляющей напряженности поля Земли Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (по средним значениям силы тока и угла отклонения стрелки).

7. Оцените полученный результат. Вычислите погрешность произведенных измерений Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

8. Запишите окончательный результат в виде Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru .

Таблица 1

№ опыта  
I, мА             <I>=
j, град             <j>=

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 205

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА САМОИНДУКЦИИ

И СДВИГА ФАЗ ЦЕПИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ: блок питания, сменный модуль, измерительные приборы.

I. ТЕОРИЯ МЕТОДА

Переменным называется ток, сила и направление которого изменяется со временем.

Исследуем протекание переменного тока по электрической цепи, основными элементами которой являются резистор сопротивлением R, катушка индуктивности L и конденсатор С.

Для любого участка цепи любого тока справедлив обобщенный закон Ома (закон Ома для неоднородного участка цепи)

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (1)

где I - сила тока на участке;

R - сопротивление участка;

(U+e) - напряжение на участке цепи;

U - разность потенциалов;

e - Э.Д.С., действующее на этом участке.

 
Рассмотрим участок, содержащий резистор сопротивлением R (рис. 1)

 
  Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 1

Подадим на этот участок разность потенциалов, изменяющуюся по гармоническому закону

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (2)

где U - мгновенное значение разности потенциалов в момент t;

U0 - амплитуда разности потенциалов;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - фаза разности потенциалов в момент t.

Никаких побочных явлений, связанных с изменением разности потенциалов, в резисторе не возникает. Резистор является однородным участком цепи (e = 0). Подставив (2) в формулу (1) и учитывая, что e = 0, получаем

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (3)

где I - мгновенное значение тока на участке цепи в момент t;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - амплитуда тока;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - фаза тока в момент t.

Для наглядного изображения соотношения между током и напряжением воспользуемся методом векторных диаграмм (рис. 2).

 
  Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 2

Анализ выражений (2) и (3) показывает, что сдвиг фаз между током и напряжением на резисторе равен нулю.

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 3

Катушка индуктивности L (рис. 3) - неоднородный участок цепи. При протекании переменного тока в катушке возникает явление самоиндукции, приводящее к появлению Э.Д.С. самоиндукции.

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (4)

где L - коэффициент индуктивности катушки;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - скорость изменения силы тока в катушке.

Рассмотрим случай, когда омическое сопротивление катушки мало (R=0). Формула (1) с учетом этого обстоятельства и выражения (4) принимает вид

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (5)

Отсюда, изменение силы тока Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . Проинтегрируем полученное выражение, подставив в него формулу(2),

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (6)

где Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - индуктивное (реактивное) сопротивление катушки;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - амплитуда тока;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru фаза тока в момент t.

Сравнивая выражения (2) и (6), приходим к выводу, что ток, текущий по катушке, отстает по фазе на Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (рис. 4).

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис.4

Æ
Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru
С
Æ
Конденсатор C (рис. 5) препятствует переменному току потому, что все время перезаряжается.

 
  Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 5

Сила тока, текущая по участку

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (9)

где Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - скорость изменения заряда.

Заряд на обкладках конденсатора пропорционален подаваемому напряжению

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (10)

где С - емкость конденсатора.

Подставив (10) в формулу(9), получаем

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (11)

где Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - емкостное (реактивное) сопротивление;

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru -амплитуда тока.

I0
 
Анализ выражений (2) и (11) показывает, что ток опережает напряжение по фазе на Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (рис.6)

 
  Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 6

Рассмотрим участок цепи, содержащий перечисленные элементы: резистор, катушку индуктивности и конденсатор, соединенные последовательно (рис. 7).

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис.7

На всех участках цепи ток одинаков. Зададим закон тока в виде I=I0sin(ωt), тогда для падения напряжения на каждом участке в соответствии с полученными ранее соотношениями можно написать:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

При последовательном соединении для мгновенных значений напряжений справедливо соотношение

Uоб=UR+UL+UC

Выполним сложение колебаний методом векторных диаграмм

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

Рис. 8

Из векторной диаграммы видно, что сдвиг фаз между общим напряжением цепи и током равен φ, при этом

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (12)

где Z – полное сопротивление цепи.

Теперь закон для общего напряжения можно записать в виде

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (13)

Амплитудное значение общего напряжения связано с амплитудными значениями напряжений на отдельных участках (из векторной диаграммы) соотношением:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (14)

Поделив почленно это уравнение на Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru (одинаковое для всех участков), получим связь между полным сопротивлением и сопротивлениями отдельных участков рассматриваемой цепи:

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , или Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (15)

где R – активное (омическое) сопротивление,

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - реактивное сопротивление,

RL=Lω – индуктивное сопротивление,

RC= Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru - ёмкостное сопротивление,

Z – полное сопротивление цепи переменному току.

При отсутствии в цепи конденсатора выражение (15) приобретает вид

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru

и используется для определения индуктивности катушки.

Отсюда

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru , (16)

где w - циклическая частота переменного тока, в свою очередь w =2pv, где

v - частота переменного тока.

Для определения сдвига фаз Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru воспользуемся формулой (12)

Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . (17)

2. ЗАДАНИЕ

2.1. Теоретическая часть

1. Какой ток называется переменным? Сформулируйте обобщенный закон Ома и поясните все величины в него входящие.

2. Запишите обобщенный закон Ома для цепи переменного тока, содержащей идеальный резистор, а также уравнения, описывающие изменение напряжения (разности потенциалов) и силы тока с течением времени. Чему равен сдвиг фаз между током и напряжением в этом случае? Изобразите графики зависимости U(t) и I(t), соответствующие записанным уравнениям, совместив их на одном рисунке.

3. Какое явление возникает в катушке при протекании переменного тока? Сформулируйте закон для этого явления. К каким эффектам приводит данное явление в цепи переменного тока?

4. Какой вид приобретает обобщенный закон Ома для участка цепи, содержащего идеальную катушку индуктивности, если ее омическое сопротивление равно нулю? Получите уравнение для изменения с течением времени силы тока, текущего в катушке, на которую подано переменное напряжение Таким образом, всю толщину жидкости можно рассматривать как составленную из множества слоев, скорости которых различны и меняются от нуля у нижнего слоя до некоторой максимальной скорости у верхнего. - student2.ru . Чему равен сдвиг фаз между током и напряжением на катушке? Изобразите графики зависимости U(t) и I(t),совместив их на одном рисунке.

5.

Наши рекомендации