Описание установки

Рис. 4.5. Экспериментальная установка для исследования магнитного поля

Помещенная в магнитное поле стрелка устанавливается вдоль поля, двигаясь так же, как и рамка с током. Такая ориентация стрелки происходит не мгновенно: внесенная в поле стрелка перед тем, как остановиться, совершает несколько колебаний. Период таких колебаний зависит от напряженности магнитного поля и, следовательно, от силы тока в соленоиде.

Можно установить экспериментально, что период колебаний убывает по мере увеличения силы тока, причем произведение силы тока и квадрата периода колебаний стрелки является постоянной величиной. Так, для двух значений силы тока ,можно записать:, гдеC– некоторая постоянная величина. Как видно из формулы (4.6), напряженность поля соленоида пропорциональна току:

,. (4.8)

С учетом этого получим

. (4.9)

Значит, измеряя период колебаний магнитной стрелки, можно определить напряженность поля по формуле

. (4.10)

Лабораторная установка для определения напряженности магнитного поля показана на рис. 4.5. На немагнитной подставке 1 укреплен короткий соленоид 2, магнитное поле в котором создается электрической цепью 3, состоящей из блока питания, реостата и амперметра. На штативе 4 закреплена направляющая 5, на которой укреплена магнитная стрелка 6. Положение стрелки фиксируется по линейке 7.

Порядок выполнения измерений и обработки результатов Задание 1. Определение магнитного поля в центре соленоида.

1. Магнитную стрелку поместить в центре соленоида. Реостатом задать величину тока , который регистрируется амперметром. Нажав и отпустив кнопку на лицевой панели установки, вывести стрелку из положения равновесия и измерить время 10 полных колебаний. При заданной силе тока измерения провести 3–5 раз.

2. Увеличить ток, задавая значения ,,,, и провести измерения, описанные в предыдущем пункте. Результаты измерений записать в таблицу.

3. По данным в таблице рассчитать среднее арифметическое значение периода колебания стрелки для каждого из значенийи оценить погрешность измеренияпо методике расчёта погрешности прямых многократных измерений по формуле (П3).

Рис. 4.6. График зависимости

4. Рассчитать доверительные интервалы для величиныкак погрешность косвенных измерений по формуле

(4.11)

Доверительные интервалы силы тока рассчитать по классу точности амперметра

5.  Построить график зависимости . Для каждой точки графика нанести доверительные интервалы, определённые в п. 4, т.к. это показано на рис. 4.6.

6. Используя метод наименьших квадратов, рассчитать угловой коэффициент – константу Cдля полученного графикапо формуле (П7). Рассчитать погрешность углового коэффициентапо формуле (П8). Результат представить в виде.

7. Используя значения справочных данных (число витков, радиус и длина соленоида), рассчитайте коэффициент по формуле (4.8).

8. Используя рассчитанные коэффициенты иC, для каждого значения периодапо формуле (4.10) найти напряженностьмагнитного поля в центре соленоида.

9. Погрешность величин рассчитать по формуле

, где. (4.12)

Задание 2. Определение зависимости напряженности магнитного поля от расстояния от центра соленоида.

1. Задать максимальное значение тока в катушке или последнее значение из предыдущего задания, и записать показания амперметра.

2. Считая начало отсчёта оси OXв центре соленоида, магнитную стрелку поместить в точки с разными координатами,,…сначала справа, а затем слева от центра соленоида. Для каждого значения координаты многократно измерить период колебаний стрелки. Результаты измерений записать в таблицу.

Рис. 4.7. Зависимость Нот расстояния

3. Рассчитать среднее значение периода колебания и погрешность измерения для каждого значениятак, как это описано в п. 3 задания 1.

4. Используя рассчитанные в задании 1 значения постоянной и коэффициента, рассчитать для каждой координатынапряженность магнитного поля по формуле (4.10).

2. Постройте зависимость напряженности поля от координаты подобную представленной на рис.4.7.

3. Погрешность величины рассчитать по формуле (4.12), погрешность величинырассчитать как абсолютную систематическую погрешность измерения по линейке. Рассчитанные погрешности нанести на графиккак доверительные интервалы.