Министерство образования российской федерации

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

ОПТИКА

Лабораторный практикум

Уфа 2009

УДК

ББК

М

Электричество и магнетизм.оптика: Лабораторный практикум/ Сост. С.Г.Гильмтярова, Ф.Ф.Тимерханов.-Уфа: Изд-во БГПУ, 2009

Учебное пособие содержит основные теоретические сведения по разделу «Оптика» и методические указания к выполнению лабораторных работ. Даны рекомендации и примеры графической обработки результатов измерений и вычислений.

Пособие предназначено в первую очередь для для студентов естественно-географического факультета. Оно может быть рекомендовано широкому кругу лиц, интересующихся физикой.

Авторы составители: С.Г.Гильмиярова, Ф.Ф.Тимерханов

Рецензенты:

.

Научный редактор: И.А.Фахретдинов д.ф-м.наук, профессор

Предисловие

Настоящее учебное пособие предназначается для студентов естественно-географического факультета и составлено с учетом специфики обучения на гео­графическом, биологическом и химическом отделениях. Пособие представляет собой руководство для самостоятельной работы при подготовке к выполнению лабораторных работ для студентов естественно-географического факультета. Оно содержит ряд лабораторных работ творчески переработанных авторами с учетом особенностей учебно­го процесса на названных специальностях и наличия специального лабораторно­го оборудования.

Пособие состоит из двух частей. В первой части содержится материал к лабораторным работам по теме “Электричество и магнетизм”, во второй части - по теме “Оптика”.

В каждой части пособия имеется компактно представленный теоретический мате­риал, содержащий необходимые сведения для решения задач, поставленных в лабораторном практикуме, методы и порядок выполнения лабораторных работ, а также вопросы к допуску и контрольные вопросы, позволяющие проверить уровень усвоения студентами данного мате­риала. В приложении к пособию представлены физические величины и констан­ты, необходимые для выполнения предложенных работ.

Необходимыми условиями для допуска студентов к выполнению данных лабораторных работ являются:

• владение терминологическим минимумом по данному разделу;

• наличие базовых навыков работы с физическими измерительными прибо­рами;

• знание алгоритмов выполнения предстоящих работ.

Часть I. Электричество и магнетизм

1. Теоретические сведения

§1. Основные детали электрических цепей

Электрическая цепь образуется из источника электрической энергии и различных электрических деталей. Графическое изображение электрической цепи, показывающее последовательность соединения ее участков, называется схемой электрической цепи.

Н а рисунке 1.1 показана простейшая электрическая цепь. Источник энергии И рассматривается как внутренний участок электрической цепи. Потребитель энергии П и соединительные провода составляют ее внешний участок.

Основными элементами внешней цепи являются омическое сопротивление, емкость и индуктивность. Омическим сопротивлением называется устройство, для которого выполняется закон Ома: . Омическое сопротивление для краткости часто называют просто сопротивлением. Сопротивление включается в электрическую цепь для регулирования, уменьшения или ограничения тока или напряжения. При прохождении тока через сопротивление выделяется тепло, поэтому иногда омическое сопротивление называют активным. Постоянные сопротивления бывают проволочные (нихром, константан, манганин и т.п.) и непроволочные (керамика и т.п.). Внешний вид некоторых постоянных сопротивлений и условное обозначение постоянного сопротивления на электрических схемах показаны на рис.1.2.

В лабораториях в качестве переменных сопротивлений используются магазины сопротивлений и реостаты. Магазины сопротивлений конструктивно состоят из набора эталонных сопротивлений в виде катушек. Проволока на катушках обычно наматывается бифилярно для уменьшения индуктивности, что важно при включении в цепь переменного тока. Магазины сопротивлений имеют несколько выводных клемм. Для уменьшения погрешности следует использовать клеммы с наименьшими сопротивлениями. Например, магазин сопротивлений Р32 имеет клеммы: "О", "9","9999". При подключении к клеммам "О" и "9999" можно набирать", сопротивления от 0 до 9999,0 Ом. Если требуемое сопротивление лежит в пределах от 0 до 9 Ом, то рекомендуется использовать клеммы 0 и 9, при этом погрешность будет меньше, чем при использовании клемм "О" и "9999".

Реостат состоит из керамического полого цилиндра, на который намотана проволока с большим удельным сопротивлением. Внешний вид реостата и его условное обозначение показаны на рисунке 1.3.

К клеммам А и В выведены концы обмотки реостата. К клемме С выведен контакт с ползунка D.

Реостат может быть использован как постоянное (рис.1.4а) и переменное (1.46,в) сопротивление, делитель напряжения (потенциометр) (рис.1.4г).

Э лектрическая емкость осуществляется в виде конденсатора, обычно состоящего из двух металлических пластин, разделенных диэлектриком. Применяются конденсаторы бумажные, слюдяные, электролитические (по виду диэлектриков). Емкость конденсатора меняется от единиц пикофарад до тысяч микрофарад . Магазин емкостей представляет собой набор конденсаторов различных емкостей. Используются как постоянные, так и переменные, или построечные конденсаторы. Обозначение на схемах постоянных и переменных конденсаторов показано на рис. 1.5.

Конденсаторы применяются в колебательных контурах для создания сдвига фаз, как фильтр для модулированных колебаний (для удаления высокой несущей частоты).

И ндуктивность конструктивно выполняется в виде катушек из изолированной проволоки, намотанной на каркас. В каркас часто вставляется ферромагнитный сердечник, позволяющий значительно увеличить индуктивность катушки. Катушки индуктивности обозначаются на схемах, как показано на рисунке 1.6а (1.6б катушка с ферромагнитным сердечником).

Источники электрической энергии необходимы для поддержания тока в цепи. В источниках электрической энергии происходит преобразование различных видов энергии (химической, механической и др.) в электрическую энергию. Величина ЭДС электродвижущей силы источника равна напряжению на зажимах источника при разомкнутой цепи.

Источниками постоянной ЭДС могут служить химические аккумуляторы, гальванические элементы, механические элементы. В лабораторной практике часто постоянный ток получают путем выпрямления переменного городского тока, с помощью выпрямителей с селеновыми диодами типа ВС-24, и т.д. На схемах элементы и батареи элементов обозначают следующим образом (рис. 1.7).

И сточниками переменного тока являются различного рода генераторы. В лабораторной практике применяются трансформаторы. В трансформаторах преобразование переменного напряжения (повышение или понижение) происходит в результате индуктивной связи. На рисунке 1.8 даны условные обозначения повышающего и понижающего трансформатора.

Для контроля или исследования различных электрических цепей приходится измерять силу тока, напряжение, мощность и другие величины. Для этих целей используются электроизмерительные приборы.

Все электроизмерительные приборы классифицируются по следующим основным признакам:

а) по роду измеряемой величины: амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры и другие;

б) по роду измеряемого тока: приборы для измерения в цепях постоянного, переменного тока;

в) по принципу действия: магнитоэлектрические, электромагнитные электродинамические, тепловые и другие;

г) по классу точности: 0.05; 0.1; 0.2; 0.5; 1.0; 1.5; 2.5; 4.0.