Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика электричество и магнетизм. Компьютерные модели. Лабораторный практикум
.pdf
№ 2435
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Кафедра физики
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ
ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
В.А. Степанова
Физика
Электричество и магнетизм.
Компьютерные модели
Лабораторный практикум
Под редакцией профессора Д.Е. Капуткина
Рекомендовано редакционно-издательским
советом университета
Москва 2015
УДК 537
С79
Рецензент
канд. физ.- мат. наук Ю.В. Осипов
Степанова В.А.
С79 Физика : электричество и магнетизм. Компьютерные модели :
лаб. практикум / В.А. Степанова ; под ред. Д.Е. Капуткина. – М. :
Изд. Дом МИСиС, 2015. – 114 с.
ISBN 978-5-87623-904-4
Приведены описания лабораторных работ с использованием компьютерных моделей (разработанных фирмой «Физикон») по разделу «Электричество
и магнетизм». Виртуальные лабораторные работы составлены таким образом,
что соответствуют натурным экспериментам лабораторных работ, выполняемых на базе оборудования фирмы PHYWE. В каждой работе даны теоретическое введение и методика виртуального эксперимента, содержащая описание
компьютерной модели, обработка результатов и вопросы для самоконтроля.
Содержание работ соответствует учебной программе курса «Физика».
Предназначен для студентов ЭкоТЕХ и ИНМиН всех направлений.
ISBN 978-5-87623-904-4
©
В.А.Степанова, 2015
©
НИТУ «МИСиС»
УДК 537
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие..........................................................................................4
Введение ...............................................................................................5
Лабораторная работа 2–02к. Цепи постоянного тока ....................... 12
Лабораторная работа 2–03к. Магнитное поле прямого тока ............ 26
Лабораторная работа 2–05к. Определение удельного заряда
частицы методом отклонения в магнитном поле ..............................37
Лабораторная работа 2–09к. Электрическое поле точечных
зарядов ................................................................................................56
Лабораторная работа 2–10к. Закон Ома для постоянного тока. ......73
Лабораторная работа 2–14к. Магнитное поле соленоида .................88
Лабораторная работа 2–16к. Электромагнитная индукция ........... 101
3
Предисловие
Преподавание курса общей физики в техническом вузе наряду
с усвоением фундаментальных знаний и законов, подкрепленных
натурным лабораторным практикумом, ставит также цель привить
студентам навыки и умение моделировать физические процессы и
явления. Поэтому комплексный подход к использованию виртуального и натурного лабораторных практикумов по физике является
методически обоснованным. Не заменяя традиционные формы обучения, применение компьютерных моделей в физическом практикуме позволяет использовать новые технологии в процессе обучения.
Компьютерные модели являются наглядным представлением экспериментов, достоверно отражают физические законы, а диапазон регулируемых параметров позволяет получать достаточное количество
исследуемых состояний.
В настоящий лабораторный практикум вошли описания семи лабораторных работ с использованием компьютерных моделей (разработанных фирмой «Физикон»), выполняемых студентами 2-го курса
всех специальностей МИСиС в соответствии с учебными планами по
курсу «Физика» по разделу «Электричество и магнетизм». Виртуальные
лабораторные работы составлены таким образом, что соответствуют
натурным экспериментам лабораторных работ, выполняемых на базе
оборудования фирмы PHYWE. Соответствие работ отражено в их нумерации: лабораторные работы с использованием компьютерных моделей имеют нумерацию с буквой «к», Например лабораторная работа
2–03к «Магнитное поле прямого тока» соответствует лабораторной работе 2–03 «Магнитное поле прямого проводника с током» в практикуме кафедры физики НИТУ МИСиС.
Описание каждой работы включает в себя разделы: 1. Цель работы.
2. Краткое теоретическое введение. 3. Методика виртуального эксперимента (с описанием компьютерных моделей). 4. Порядок выполнения
работы. 5. Обработка результатов измерений. Контрольные вопросы для
самопроверки. Список литературы.
В некоторых лабораторных работах идея использования компьютерных моделей принадлежит Ю.В. Тихомирову и Б.К. Лаптенкову
(фирма «Физикон»).
4
Введение
Для подготовки и выполнения виртуальных лабораторных работ, в которых используются компьютерные модели, разработанные фирмой «Физикон», необходимо на рабочем столе компьютера
дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен на ярлыке Зеленое дерево с надписью Физика. В открывшемся
окне находятся папки с описанием виртуальных лабораторных работ
и сборник компьютерных моделей Открытая физика 1.1.
Для выполнения лабораторной работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей Открытая физика 1.1 на рабочем столе. После этого на экране появится начальная картинка этого
сборника, окно которой изображено на рис. В1.
Рис. В1. Содержание сборника компьютерных моделей Открытая физика 1.1
Далее необходимо выбрать раздел, указанный в расчетно-графической работе; для этого дважды щелкнете левой кнопкой мыши,
установив ее маркер над названием раздела, в котором расположена
данная модель. В разделе «Электричество и магнетизм» вы увидите
картинку, приведенную на рис. В2.
5
Рис. В2. Диалоговое окно раздела «Электричество и магнетизм»
в сборнике компьютерных моделей Открытая физика 1.1
Чтобы увидеть дальнейшие пункты данного раздела, надо щелкать левой кнопкой мыши, установив ее маркер на кнопку со стрелкой вниз, расположенную в правом нижнем углу внутреннего окна.
Прочитав надписи во внутреннем окне, установите маркер мыши
над надписью требуемой компьютерной модели и дважды коротко
нажмите левую кнопку мыши. Например, для компьютерной модели Электромагнитная индукция в разделе «Электричество и магнетизм» окно приведено на рис. В3.
Кнопки вверху картинки (под параметрами панели инструментов)
являются служебными. Предназначение каждой кнопки проявляется,
когда маркер мыши располагается над нею в течение 1...2 с (без нажатия кнопок мыши). Очень важными являются следующие кнопки:
кнопка с двумя вертикальными чертами | |, которая служит для остановки эксперимента, и рядом расположенные кнопки: для шага | и
для продолжения работы.
В появившемся внутреннем окне компьютерной модели (рис. В4)
сверху также расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова кратких теоретических сведений
из соответствующего раздела курса «Общая физика», которому соответствует компьютерная модель. Перемещать окна можно, зацепив
мышью заголовок окна (имеющий синий фон).
6
Рис. В3. Диалоговое окно компьютерной модели Электромагнитная
индукция в разделе «Электричество и магнетизм»
Перед выполнением расчетно-графической работы внимательно
рассмотрите окно модели, найдите все регуляторы и другие элементы, которые позволяют изменять задаваемые параметры величин для
виртуального эксперимента.
Например, компьютерная модель «Электромагнитная индукция»
(см. рис. В4) позволяет устанавливать длину перемычки L и ее сопротивление R, величину и направление скорости движения перемычки V и индукции магнитного поля В, в котором расположен
замкнутый контур. В модели есть две кнопки: Старт и Выбор. При
нажатой кнопке Выбор задают параметры величин для виртуального эксперимента и при этом в левом нижнем углу окна модели (см.
рис. В4) регистрируется величина магнитного потока Ф, пронизывающего замкнутый контур. Нажатие кнопки Старт запускает виртуальный эксперимент, в процессе которого в левом нижнем углу окна
модели появляются значения тока I , ЭДС и времени t. По окончании эксперимента магнитный поток равен нулю (рис. В5).
После выполнения расчетно-графической работы необходимо
поочередно (начиная с компьютерной модели) закрыть все окна на
7
Рис. В4. Окно компьютерной модели Электромагнитная индукция в режиме Выбор
рабочем столе. Для закрытия окна надо нажать мышью кнопку с
крестом в верхнем правом углу данного окна.
При обработке результатов эксперимента используют метод
определения постоянной величины по графику линейной функции
yfx= (рис. В6) в случае, если постоянная величина k является
()
коэффициентом пропорциональности, т.е. когда
Используя экспериментальные данные, отмечают их точками
(при однократных измерениях, или отмечают область возможных
значений при многократных измерениях) в системе координат Y0X и
проводят прямую с некоторой достоверностью, если точки не лежат
точно на прямой, или прямо по экспериментальным точкам, если
они укладываются в прямую. Далее отмечают в средней части этой
прямой область, граничные точки которой дают в проекции на оси
абсцисс и ординат численные значения интервалов Δx и Δy, по которым вычисляют постоянную величину k по формуле
8
constykx=+
. (В1)
Рис. В5. Окно компьютерной модели Электромагнитная индукция в режиме Старт
y
k
=
, (В2)
x
yx
где
– отношение приращения функции к соответствующему
приращению аргумента.
Иногда в литературе такой метод определения постоянной величины k излагают как метод определения постоянной величины по тан-
генсу угла наклона линейной функции к оси абсцисс. Действительно, из
рис. В6 видно, что отношение
yx
– это отношение противолежаще-
го катета угла φ к прилежащему катету этого угла, что является танген-
сом угла φ, т.е.
tg
yx
= . (В3)
При такой методике определения постоянной величины угол φ также
необходимо отмечать в средней части прямой линии.
9
Рис. В6. График линейной функции y = f(x)
Для примера рассмотрим лабораторную работу 2–09к, в которой по экспериментальным данным строят график зависимости напряженности Е электрического поля точечного заряда от квадрата
обратного расстояния
численное значение электрической постоянной ε0, используя фор-
æö
1
ç
ç
2
ç
q
èø
d
мулу
ка электрического поля;
обратного расстояния к приращению напряженности электрического поля.
1
=
0
4
E
()
1
до этого заряда. Из графика определяют
2
d
÷
÷
÷
, где q1 – величина точечного заряда – источни-
æö
1
÷
ç
÷
ç
2
÷
ç
èø
d
– отношение приращения квадрата
E
()
10
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]