МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«УЛЬЯНОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
ЭЛЕКТРИЧЕСТВО
И МАГНЕТИЗМ
Методические указания к лабораторным работам по физике
Составители: В. В. Ефимов
А. И. Кочаев
Р. М. Мефтахутдинов
Ульяновск
УлГТУ
2012
УДК 534:535(076)
ББК 22.3я7
Э45
Рецензент кандидат физико-математических наук, доцент кафедры
«Физика» Ульяновского государственного технического университета
Р. К. Лукс
Одобрено секцией методических пособий научно-методического
совета
Ульяновского государственного технического
университета
Электричество
и
магнетизм :
методические
указания
к
Э45 лабораторным работам по физике / сост. В. В. Ефимов,
А. И. Кочаев, Р. М. Мефтахутдинов. – Ульяновск: УлГТУ, 2012. – 48 с.
Указания составлены в соответствии с типовой программой курса общей
физики и включают 9 лабораторных работ по разделу «Электричество и
магнетизм», выполняемых в рамках физического практикума на кафедре
«Физика» УлГТУ. Работы в различное время ставились преподавателями
кафедры. Особый вклад в формирование данного лабораторного практикума внес
В. М. Прокофьев (работы 2.4, 2.8, 2.9), сборник лабораторных работ которого был
принят за основу при подготовке данных методических указаний.
Каждая работа включает в себя необходимый теоретический материал,
позволяющий
студентам
в
компактной
форме
получить
достаточную
информацию о
физических
явлениях
и
закономерностях,
изучаемых
в
работе,
описание
экспериментальной
установки,
методику
проведения измерений, контрольные
вопросы.
Для бакалавров и магистров технических специальностей Ульяновского
государственного технического университета.
Работа подготовлена на кафедре «Физика».
УДК 534:535(076)
ББК 22.3я7
Ефимов В. В., Кочаев А. И.,
Мефтахутдинов Р. М.,
составление, 2012
Оформление. УлГТУ, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
Техника безопасности ....................................................................................... 4
Работа 2.1. Определение удельного сопротивления проводника ................. 5
Работа
2.2.
Измерение
емкости
конденсаторов
и
проверка
законов их соединения мостовым методом..................................................... 9
Работа 2.3. Изучение процесса разряда конденсатора.
Определение емкости конденсатора .............................................................. 14
Работа 2.4. Определение ЭДС источника постоянного тока методом
компенсации ..................................................................................................... 19
Работа 2.5. Проверка уравнения Богуславского – Ленгмюра.
Определение удельного заряда и массы электрона ...................................... 24
Работа 2.6. Определение удельного заряда электрона
методом магнетрона ......................................................................................... 28
Работа 2.7. Определение горизонтальной составляющей индукции
магнитного поля Земли с помощью тангенс-буссоли .................................. 34
Работа 2.8. Исследование распределения мощности в цепи
постоянного тока .............................................................................................. 39
Работа 2.9. Исследование магнитного поля на оси
короткого соленоида ....................................................................................... 44
Приложение А. Метод наименьших квадратов ............................................ 47
Библиографический список............................................................................. 48
3
Техника безопасности
Лабораторные работы, описанные в сборнике, выполняются с
использованием опасного для жизни напряжения 220 В. В связи с этим
необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности.
1. Приступать к работе можно только после получения допуска у
преподавателя.
2. Перед
включением
установки
необходимо
убедиться
в
исправности соединительных проводов, вилок, розеток. О замеченных
неисправностях следует тут же сообщить преподавателю или лаборанту.
3. Запрещается включать установку влажными руками или стоять на
мокром полу.
4. Запрещается оставлять включенную установку без присмотра.
5. Запрещается
загромождать
рабочее
место
посторонними
предметами.
6. Запрещается производить какие-либо изменения в электрических
схемах установки.
7. Работы в лаборатории производятся только в присутствии
преподавателя или лаборанта.
8. При выявлении неисправности после включения установки быстро
обесточить ее.
9. При завершении работы все приборы должны быть отключены от
сети.
10. Не прикасаться руками к кожухам источников света: это может
привести к появлению ожога.
4
Лабораторная работа № 2.1
ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПРОВОДНИКА
Цель работы: ознакомиться с методом измерения удельного
сопротивления проводникового материала.
Теоретические сведения
Резистивный элемент, или просто резистор, является одним из
самых распространенных элементов электрических цепей стационарных и
квазистационарных токов.
Резистор принято характеризовать активным сопротивлением RОм
1
Ом
изготовляют различными способами и из различных
характеризующихся удельным сопротивлениемОм м .
материалов,
Однородный по сечению и удельному сопротивлению резистор имеет
сопротивление
R
l
S
.
(1.1)
Для резистора с круговым сечением диаметра D
R
4l
D 2
,
(1.2)
откуда
2
4l
.
(1.3)
Таким образом, измерение сопротивления однородного проводника
при известной его геометрии позволяет найти удельное сопротивление.
Это можно сделать, используя только амперметр и вольтметр. Возможны
две схемы подключения приборов (рис. 1.1), однако при этом следует
учитывать тот факт, что используемые приборы обладают внутренними
сопротивлениями, и расчет сопротивления по закону Ома
5
или обратной величиной – проводимостью См
. Резисторы
R
U
I
(1.4)
и в том, и в другом случае будет неточен.
В первой схеме амперметр даст значение силы тока через резистор R ,
но вольтметр показывает сумму напряжений U U R U A . Поэтому
правильное определение R должно вестись по соотношению
R
I I
U R U U A
U
I
(1.5)
Рис. 1.1. Схемы подключения приборов при определении сопротивления
Таким образом, расчет R по (1.4) при использовании схемы I
приведет
к
завышенному
результату
на
величину
внутреннего
сопротивления амперметра. Расхождением между точным определением R
и приближенным можно пренебречь лишь при R R A .
В схеме II вольтметр показывает напряжение на резисторе R , но
амперметр показывает сумму токов
I I R IV I R
U
RV
.
Поэтому
правильное определение R в этом случае должно вестись по соотношению
R
U
I R
U
U
RV
.
(1.6)
Таким образом, расчет R по (1.4) при использовании схемы II
приведет к заниженному результату, причем степень занижения будет
зависеть от соотношения R и RV . Расхождением между точным значением
сопротивления и значением, рассчитанным по (1.4), можно пренебречь,
если R RV .
6
R A .
I
В силу изложенного выше целью данной работы является не только
определение удельного сопротивления проводника, но и сопоставление
результатов определения
R
по соотношениям (1.5) и (1.6) при
использовании соответствующих схем соединения приборов.