Краткая теория эксперимента. Министерство образования и науки Российской федерации
Министерство образования и науки Российской федерации
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«Ростовский государственный строительный университет»
Утверждено
на заседании кафедры физики
12 декабря 2008 г.
Методические указания
к лабораторной работе №48
«Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли»
Ростов-на-Дону
| |
Методические указания к лабораторной работе № 48.
«Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли»
– Ростов н/Д: Рост. гос. строит. ун-т, 2009. – 10 с.
Содержат необходимый теоретический материал, сведения о порядке выполнения работы и оформления ее результатов.
Предназначены для выполнения лабораторной работы по программе курса общей физики для студентов всех специальностей РГСУ.
Составители: проф. Н.Н. Харабаев
доц. Е.В. Чебанова
Рецензенты: проф. А.Н. Павлов
доц. Ю.И. Гольцов
Редактор Н.Е. Гладких
Темплан 2008 г., поз.
Подписано в печать
Формат 60х84 1/16. Бумага писчая. Ризограф. Уч.-изд.л.
Тираж 100 экз. Заказ
___________________________________________________________
Редакционно-издательский центр
Ростовского государственного строительного университета
334022, Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.
© Ростовский государственный
строительный университет, 2009
Лабораторная работа №48
Определение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля земли
Цель работы: изучение магнитного поля проводников с током и магнитного поля Земли.
Приборы и принадлежности:компас, катушка провода с круговыми витками, источник постоянного тока, реостат, двойной ключ (переключатель), амперметр, соединительные провода.
Краткая теория
Основной характеристикой магнитного поля является индукция . Величина и направление вектора индукции магнитного поля, созданного элементом проводника с током , определяются с помощью закона Био-Савара-Лапласа:
, где
– индукция магнитного поля в точке, заданной радиус-вектором , проведенным от элемента проводника до этой точки;
– векторное произведение векторов и ;
– магнитная постоянная, – магнитная проницаемость среды.
В скалярном виде закон Био-Савара-Лапласа:
, где
– угол между векторами и .
Магнитное поле может быть изображено графически с помощью силовых линий (линий индукции магнитного поля).
Силовая линия – это такая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором индукции магнитного поля. Силовые линии магнитного поля, в отличие от силовых линий электростатического поля, являются замкнутыми.
Если имеется несколько источников магнитного поля, то, согласно принципу
суперпозиции магнитных полей, индукция результирующего магнитного поля равна векторной сумме индукций всех отдельных магнитных полей, т.е.
.
Краткая теория эксперимента
Магнитное поле действует на магнитную стрелку, стремясь ориентировать ее вдоль силовых линий. На этом основана работа компаса, ориентация магнитной стрелки которого позволяет определить направление на северный и южный магнитные полюсы и связанные с ними географические полюсы Земли. Если магнитная стрелка может вращаться только в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси (например, как в обычном компасе), то ориентация магнитной стрелки соответствует направлению горизонтальной составляющей вектора индукции магнитного поля Земли. Для определения величины горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли магнитную стрелку компаса помещают в поле еще одного источника магнитного поля – в поле проводника с током. В этом случае магнитная стрелка оказывается в суммарном магнитном поле Земли и проводника с током, и по ее ориентации можно определить соотношение индукций магнитных полей Земли и проводника с током. В качестве проводника в данной лабораторной работе использована катушка с круговыми витками, а магнитная стрелка помещена в центр кругового тока, как показано на рис. 1.
Рис. 1 Рис. 1a Рис. 1б
Первоначально, при отсутствии тока в витках катушки плоскость катушки располагают так, чтобы в этой плоскости оказалась магнитная стрелка и, соответственно, плоскость магнитного меридиана Земли. После включения тока в катушке (рис. 1a) магнитная стрелка компаса поворачивается на угол , ориентируясь по направлению суммарного (результирующего) магнитного поля , состоящего из горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и индукции магнитного поля кругового тока в центре витков катушки .
Величина индукции магнитного поля в центре катушки с током :
, где
N – число витков катушки,
– индукция магнитного поля, создаваемого одним витком катушки с током ,
r – радиус витков катушки.
Направление вектора индукции магнитного поля в центре кругового тока совпадает с осью витка и соответствует правилу правого винта (рис. 1а, 1б) .
Из рис. 1a видно, что величину горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли можно найти, зная (рассчитав предварительно) (индукцию магнитного поля в центре катушки с током ) и измерив угол поворота магнитной стрелки при включении тока :
.
Для повышения точности измерений эксперимент повторяют, пропуская через катушку такой же как по величине, но противоположный по направлению ток ( ). Вновь измеряют угол отклонения магнитной стрелки при включении тока , т.е. угол (рис. 1б) и вычисляют угол , как среднее значение двух измерений:
.
По найденному значению угла для величины тока I определяют горизонтальную составляющую индукции магнитного поля Земли :
.
Проделав пять таких двойных измерений угла отклонения магнитной стрелки ( , ) для пяти различных значений силы тока ( ) в витках катушки, необходимо рассчитать пять значений величины ( ) и в итоге определить среднее значение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли :
.
Абсолютная погрешность при определении величины может быть найдена следующим образом: .
Тогда окончательный результат: ,
а относительная погрешность: .
Порядок выполнения работы
1. Подготовьте таблицу для результатов измерений и вычислений
Таблица
| n | A | град | град | град | Тл |
2. Ознакомьтесь с работой установки, изображенной на рис.22 : включение и выключение с помощью ключа К ; изменение cилы тока в цепи с помощью реостата R ; изменение направления тока в витках катушки с помощью переключателя П (положению 1 переключателя соответствует ток , а положению 2 соответствует ток ); проведение измерений силы тока I с помощью амперметра А ; измерение угла отклонения магнитной стрелки компаса при включении тока в витках катушки.
3. Включите установку и проведите все необходимые измерения последовательно для силы тока . Результаты измерений занесите в таблицу.
4. Для каждого значения силы тока проведите расчет горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли и получите среднее значение .
(Радиус r и число витков N катушки приведены на установке.)
5. Рассчитайте абсолютную погрешность определения индукции магнитного поля Земли и запишите окончательный результат:
6. Оцените относительную погрешность определения индукции магнитного поля Земли:
Контрольные вопросы
1. Назовите какие источники магнитного поля Вы знаете?
2. Запишите закон Био-Савара-Лапласа в векторной формe. Для случая линейного тока изобразите на рисунке все вектора, входящие в эту формулу.
3. Как определить направление вектора индукции магнитного поля, созданного линейным током, в любой точке пространства?
4. Запишите закон Био-Савара-Лапласа в скалярной формe. Поясните физический смысл всех величин, входящих в эту формулу.
5. Получите формулу для определения индукции магнитного поля в центре кругового тока.
6. Дайте определение силовой линии магнитного поля. В чем отличие силовых линий магнитного поля от силовых линий электростатического поля?
7. Выберите правильный вариант ответа в следующих тестовых заданиях:
ЗАДАНИЕ № 1
На рисунке изображены сечения двух параллельных прямолинейных длинных проводников с противоположно направленными токами, причём I1=2I2 . Индукция В магнитного поля равна нулю в некоторой точке участка …
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:
1) a ; 2) b ; 3) c ; 4) d .
ЗАДАНИЕ № 2
На рисунке изображены два бесконечно длинных проводника, перпендикулярных плоскостям чертежа. Токи текут «от нас», причем I1 = 2I2. В какой из указанных точек индукция B магнитного поля равна нулю?
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:
|
|
|
|
|
1) A ; 2) Б ; 3) В ; 4) Г ;5) Д .
ЗАДАНИЕ № 3
Вектор магнитной индукции в точке А поля, созданного двумя параллельными одинаковыми по силе (I1 = I2) прямолинейными токами, текущими в одинаковом направлении, ориентирован вдоль …
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:
1) А1 ; 2) А2 ; 3) А3 ; 4) А4 .
ЗАДАНИЕ № 4
Вектор магнитной индукции в точке А поля, созданного двумя параллельными одинаковыми по силе (I1 = I2) прямолинейными токами, текущими в противоположных направлениях, ориентирован вдоль …
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:
1) А1 ; 2) А2 ; 3) А3 ; 4) А4 .
ЗАДАНИЕ № 5
По двум прямолинейным длинным проводникам, расположенным во взаимно перпендикулярных плоскостях, текут равные токи. Какое направление имеет вектор индукции магнитного поля в точке O ?
ВАРИАНТЫ ОТВЕТОВ:
1) 1 ; 2) 2 ; 3) 3 ;
4) 4 ; 5) 5 .