Погрешности измерений физических величин

Лабораторная работа № 12.
Определение полюса немаркированного магнита
Опыт Эрстеда
Цель работы: сформировать умение определять
положение полюсов постоянного магнита с помощью компаса;
убедиться на опыте, что магнитная стрелка поворачивается при
пропускании
электрического
тока
через
проводник,
находящийся около нее.
Оборудование:
маркированный
магнит,
не
маркированный магнит, компас, выпрямитель ВУ-4М,
соединительные провода, элементы планшета №1: ключ.
Теоретическая часть.
Магнитное взаимодействие.
Явления взаимного притяжения разноименных и
отталкивания одноименных электрических зарядов во многом
сходны с явлениями притяжения разноименных и отталкивания
одноименных полюсов магнита. Однако установить связь между
электрическими и магнитными явлениями не удавалось.
В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед (1777—1851) обнаружил,
что магнитная стрелка поворачивается при пропускании
электрического тока через проводник, находящийся около нее
(рис. 1). В том же году французский физик Андре Ампер (1775—
1836) установил, что два проводника, расположенные
параллельно друг другу, испытывают взаимное притяжение при
пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкиваются, если токи имеют противоположные
направления (рис. 2). Явление взаимодействия электрических
токов Ампер назвал электродинамическим взаимодействием.
1
Рис. 1.
На основании своих опытов
Ампер пришел к выводу, что
взаимодействие тока с магнитом и
магнитов между собой можно
объяснить, если предположить, что
внутри
магнита
существуют
незатухающие
молекулярные
круговые токи (рис. 3). Тогда все
магнитные явления объясняются
взаимодействием
движущихся
электрических зарядов, никаких
особых магнитных зарядов в природе нет.
Рис. 2.
Рис. 3.
Магнитное поле.
Магнитное взаимодействие движущихся электрических
зарядов согласно представлениям теории близкодействия
объясняется следующим образом. Всякий движущийся
электрический заряд создает в окружающем пространстве магнитное поле. Магнитное поле непрерывно в пространстве и
действует на другие движущиеся электрические заряды.
Подобно тому, как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое
2
поле, в пространстве, окружающем проводники стоком,
возникает магнитное поле.
Электрический ток в одном из проводников создает
вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором
проводнике. В свою очередь, поле, созданное вторым
проводником, действует на первый.
Магнитное поле представляет собой особый вид материи,
посредством которого осуществляется взаимодействие между
движущимися электрически заряженными частицами.
Основные свойства магнитного поля, устанавливаемые
экспериментально, таковы:
1. Магнитное поле порождается электрическим током
(движущимися зарядами).
2. Магнитное поле обнаруживается по действию на ток.
3. Магнитное поле, как и электрическое, материально (оно
существует независимо от нас, от наших знаний о нем), оно
действует на тела и, следовательно, обладает энергией.
Экспериментальным доказательством реальности магнитного поля, как и реальности электрического поля, является
факт существования электромагнитных волн.
Единица силы тока.
Прохождение электрического тока может сопровождаться
нагреванием и свечением вещества, различными его
химическими превращениями, магнитным взаимодействием. Из
всех известных действий тока только магнитное взаимодействие
сопровождает электрический ток при любых условиях, в любой
среде и в вакууме.
Магнитное взаимодействие проводников с током
используется в Международной системе для определения
единицы силы тока — ампера (А).
Ампер — сила неизменяющегося тока, который при
прохождении по двум параллельным прямолинейным
проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового
сечения, расположенным на расстоянии 1 м друг от друга в
вакууме, вызывал бы между этими проводниками силу
3
7
магнитного взаимодействия, равную 2  10 Н на каждый метр
длины.
Сила магнитного взаимодействия токов.
Сила, с которой магнитное поле действует на проводник с
током, называется силой Ампера.
Экспериментальное изучение магнитного взаимодействия
показывает, что модуль силы Ампера F пропорционален длине
l проводника с током и зависит от ориентации проводника в магнитном поле.
Магнитная индукция.
Для характеристики способности магнитного поля
оказывать силовое действие на проводник с током вводится
векторная величина — магнитная индукция B .
Силовое
действие
магнитного
поля
может
обнаруживаться по действию силы Ампера на прямолинейный
проводник с током и по вращающему действию на замкнутый
контур.
При исследовании магнитного поля с помощью
прямолинейного проводника с током магнитная индукция
определяется следующим образом: модуль магнитной индукции
равен отношению максимального значения модуля силы Ампера
F , действующей на проводник с током, к силе тока I в
проводнике и его длине l:
B
F
.
I l
(1)
Для определения направления вектора B индукции
нужно расположить прямолинейный проводник в магнитном
поле таким образом, чтобы сила Ампера имела максимальное
значение.
Раскрытую ладонь левой руки поместим в плоскости,
проходящей через вектор F силы Ампера и проводник с током.
4
Четыре пальца левой руки расположим по направлению тока в
проводнике, а большой палец, отогнутый в плоскости ладони
под прямым углом к остальным четырем пальцам,— по
направлению вектора F силы Ампера. Тогда вектор индукции B
будет входить перпендикулярно в плоскость ладони (рис. 4).
Рис. 4.
Единица индукции в этом случае определяется как индукция такого магнитного поля, в котором на 1 м проводника при
силе тока 1 А действует максимальная сила Ампера 1 Н. Эта
единица называется тесла (Тл) в честь выдающегося югославского электротехника Николы Тесла (1856—1943):
1Н
н
.
1Тл 
1
1А  1м
А м
При исследовании магнитного поля с помощью контура с
током за направление вектора магнитной индукции B в том
месте, где расположена рамка с током, принимают направление
перпендикуляра к плоскости, в которой устанавливается свободно вращающаяся рамка с током (рис. 5). Вектор B индукции
направлен в ту сторону, куда перемещался бы буравчик при
вращении по направлению тока в рамке.
Модуль вектора индукции B равен отношению
максимального момента сил М, действующего на рамку с током
со стороны магнитного поля, к произведению силы тока I в
рамке на ее площадь S:
B
M
.
I S
(2)
5
Рис. 5.
За единицу магнитной индукции принята магнитная
индукция такого поля, в котором на контур площадью 1 м2 при
силе тока 1 А действует со стороны поля максимальный
момент сил 1 Н•м. Нетрудно убедиться в том, что эта единица
совпадает с единицей, установленной при первом способе
определения магнитной индукции:
1Н  м
Н
1
 1Тл .
2
1А  1м
А м
Линии магнитной индукции.
Графически магнитное поле можно изобразить с помощью линий магнитной индукции.
Линия магнитной индукции — это линия, касательная к
которой в любой точке совпадает с вектором индукции B (рис.
6). Если во всех точках некоторой части пространства вектор
индукции магнитного поля имеет одинаковое значение по
модулю и одинаковое направление, то магнитное поле в этой
части пространства называется однородным (рис. 7).
Линии магнитной индукции магнитного поля прямого
проводника с током представляют собой окружности, лежащие в
плоскостях,
перпендикулярных
проводнику.
Центры
окружностей находятся на оси проводника.
6
Рис. 6.
Рис. 7.
Направление вектора магнитной индукции в этом случае
определяется следующим правилом. Если смотреть вдоль проводника по направлению тока, т. е. по направлению движения
положительных зарядов, то вектор магнитной индукции направлен по ходу часовой стрелки (рис. 8). Если ток направлен к
наблюдателю, то вектор магнитной индукции направлен против
хода часовой стрелки.
Линии индукции магнитного поля, созданного катушкой
с током, показаны на рисунке 9. Вектор магнитной индукции
входит в катушку с той стороны, с какой направление тока в
витках катушки представляется соответствующим ходу часовой
стрелки.
Рис. 8.
Рис. 9.
Некоторые из картин магнитного поля приведены на
рисунках 10 – 13.
7
Рис. 10.
Рис. 12.
Рис. 11.
Рис. 13.
Вихревое поле.
Важная особенность линий магнитной индукции состоит
в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда
замкнуты.
Поля с замкнутыми силовыми линиями называются
вихревыми. Магнитное поле — это вихревое поле.
Замкнутость линий магнитной индукции представляет
собой фундаментальное свойство магнитного поля, оно
заключается в том, что магнитное поле не имеет источников.
Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.
Сила Ампера.
Формулу (1) можно использовать для определения
модуля максимального значения силы Ампера, действующей на
прямолинейный проводник с током в магнитном поле с
8
индукцией B :
Fнаиб .  I  B  l ,
(3)
где l — длина проводника; I — сила тока.
Опыт показывает, что при расположении проводника с
током под углом  к вектору B магнитной индукции для
нахождения модуля силы Ампера следует применять выражение
F  I  B  l  sin 
(4)
Направление вектора силы Ампера F определяется
правилом левой руки.
Расположим левую руку так, чтобы четыре пальца
указывали направление тока в проводнике. Затем установим
ладонь перпендикулярно плоскости, в которой лежат проводник
с током и вектор B магнитной индукции. Вектор B должен
входить в ладонь. Тогда отогнутый под прямым углом в
плоскости ладони большой палец укажет направление вектора
силы Ампера F (см. рис. 4).
Практическая часть.
1. Подготовка к выполнению работы.
Данная работа состоит из двух частей: в первой вам надо
будет определить полюс немаркированного магнита, а во второй
повторить опыт Эрстеда.
Приготовьте необходимое для выполнения работы
оборудование.
2. Ход работы.
Определение полюса немаркированного магнита
Магнит помещают на рабочем столе вдали от посторонних
9
металлических предметов или других магнитов. К магниту
медленно приближают компас и наблюдают за поведением его
стрелки. Замечают, что, начиная с некоторого расстояния, на
котором магнитное поле магнита намного превышает величину
магнитного поля Земли, ориентация стрелки целиком
определяется конфигурацией поля магнита. Компас перемещают
вокруг магнита и регистрируют положение его стрелки (рис. 14).
Компас
N
S
Рис.
14.
В какой момент времени стрелка компаса направлена
перпендикулярно поверхности магнита? Напротив чего в этот
момент времени направлен северный (и южный) конец стрелки?
Все наблюдения записываются в тетради.
Данные наблюдений используют для определения
полюсов немаркированного магнита. Его помещают на место
магнита с обозначенными полюсами и повторяют действия с
компасом.
Обратите внимание на то, как располагаются оба полюса
магнита по отношению друг к другу.
После того как определили полюса магнита, поднимите
руку, чтобы учитель проверил правильность выполнения
задания. Только после этого можете приступать ко второй части
работы.
10
Опыт Эрстеда
Перед вами на столах находится минилаборатория по
электродинамике. Её вид представлен в л. р. № 9 на рисунке 2.
Слева находятся миллиамперметр, выпрямитель ВУ-4М,
вольтметр, амперметр. Справа закреплен планшет № 1 (см. рис.
2 в л. р. № 9). В задней секции корпуса размещаются
соединительные провода цветные: красный провод используют
для подключения ВУ-4М к гнезду «+» планшета; белый провод
— для подключения ВУ-4М к гнезду «-»; желтые провода - для
подключения к элементам планшета измерительных приборов;
синие - для соединения между собой элементов планшета.
Секция закрыта откидной площадкой. В рабочем положении
площадка располагается горизонтально и используется в
качестве рабочей поверхности при сборке экспериментальных
установок в опытах.
В ходе работы вы докажите, что при пропускании
электрического тока через проводник, находящаяся рядом с ним
магнитная стрелка поворачивается.
Соберите цепь по схеме, показанной на рисунке 15.
компас
+
U
-
Рис. 15.
После того, как цепь будет собрана, необходимо поднять
руку, позвать учителя, чтобы он проверил правильность сборки
электрической цепи. И если цепь собрана правильно, то
приступайте к выполнению работы.
11
Не замыкая ключа (ток не течет) поднесите к проводам
компас. Что вы видите? Затем замкните ключ и опять поднесите
компас к проводам. Изменилось ли что-нибудь в этот раз?
Перемещайте компас вдоль и вокруг проводов. Что наблюдаете.
Все наблюдения записываются в тетради.
3. Вывод.
Сделайте вывод о проделанных работах.
1.) Напротив какого полюса к магниту направлен
северный (южный) конец стрелки?
2.) Что происходит с магнитной стрелкой при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около
нее?
Вопросы для защиты лабораторной работы.
1. Как
взаимодействуют
два
параллельно
расположенных проводника (рассмотреть два случая протекания
по ним электрического тока).
2. Что является причиной возникновения магнитного
поля?
3. Перечислите свойства магнитного поля.
4. Дайте определение магнитной индукции. Единица
измерения.
5. Какие линии называются линиями магнитной
индукции?
6. Какое поле называется однородным?
7. Является ли магнитное поле вихревым? Ответ
поясните.
8. Запишите формулу для определения силы Ампера при
расположении проводника с током под углом
магнитной индукции.
9. Сформулируйте правило левой руки.
 к вектору B
12
Литература
1. Кабардин О. Ф.. Справ. Материалы: Учеб. Пособие
для учащихся.—3-е изд.—М.: Просвещение, 1991.—с.: 176-180.
2. Мякишев Г. Я..
Физика: Учебн. для 11 кл.
общеобразоват. учреждений/ Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев.—
12-е изд.—М.: Просвещение,2004. — с.: 4-14.
3. Справочник школьника. Физика/ Сост. Т. Фещенко, В.
Вожегова.–М.: Филологическое общество «СЛОВО», ООО
«Фирма» «Издательство АСТ», Центр гуманитарных наук при фте журналистики МГУ им. М. В. Ломоносова, 1998. — с.: 192196.
4. Самойленко П. И.. Физика (для нетехнических
специальностей): Учебн. для общеобразоват. учреждений сред.
Проф. Образования/ П. И.Самойленко, А. В. Сергеев.—2-е изд.,
стер.—М.: Издательский центр «Академия», 2003-с.: 210-220.
13