Теоретичні відомості. Для студентів денної фо

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТРАНСПОРТНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ

ДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНИХ РОБІТ

З ФІЗИКИ

Частина 2

Для студентів денної форми навчання

ЗАТВЕРДЖЕНО

на засіданні навчально-методичної Ради

Національного транспортного університету

Протокол №___від______________2010 р.

Перший проректор, професор

_____________________ М.О.БІЛЯКОВИЧ

Київ НТУ 2010

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з фізики. Частина 2. // Укл.: Гололобов Ю.П., Іщенко Р.М., Ісаєнко Г.Л., Карташева В.І., Малиш М.І., Охріменко Ю.А., Шатній Т.Д. – К.: НТУ, 2010. – 94 с.

Укладачі:

проф. Гололобов Ю.П.,

доц. Іщенко Р.М.,

ст. викл. Ісаєнко Г.Л.,

доц. Карташева В.І.,

доц. Малиш М.І.,

доц. Охріменко Ю.А.,

доц. Шатній Т.Д.

Відповідальний за випуск: доц. Іщенко Р.М.

РОЗПОДІЛ ЛАБОРАТОРНИХ ЗАНЯТЬ З КУРСУ „ФІЗИКА”

НА ІІ СЕМЕСТР НАВЧАННЯ

№ ЗМ	Номер модуля (Теми лабораторних занять)	Форми контролю поточної успішності
МОДУЛЬ 1. МАГНЕТИЗМ. КОЛИВАННЯ ТА ХВИЛІ
ЗМ1	ЛЗ 1. Визначення горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля Землі	ЛР, УО
ЛЗ 2. Вивчення механічного осцилятора з одним ступенем вільності	ЛР, УО
ЗМ2	ЛЗ 3. Вивчення електричного осцилятора з одним ступенем вільності	ЛР, УО
ЛЗ 4. Визначення швидкості звуку фазовим методом	ЛР, УО
МОДУЛЬ 2. ОПТИКА
ЗМ3	Л3 5. Визначення радіуса кривини лінзи та довжини світлової хвилі за допомогою кілець Ньютона	ЛР, УО
Л3 6. Визначення довжини хвилі жовтої лінії спектра неону за допомогою дифракційної гратки	ЛР, УО
ЗМ4	Л3 7.Визначення концентрації цукру в розчині за допомогою поляриметра	ЛР, УО
Л3 8. Вимірювання кута розбіжності і ступеня поляризації випромінювання He-Ne лазера	ЛР, УО
МОДУЛЬ 3. АТОМНА ФІЗИКА
ЗМ5	Л3 9.Вивчення законів теплового випромінювання речовин та вимірювання температури нагрітих тіл за допомогою оптичного пірометра	ЛР, УО
Л3 10. Вивчення зовнішнього фотоефекту	ЛР, УО
ЗМ6	Л3 11. Вивчення спектрів випромінювання і поглинання різних речовин	ЛР, УО

У методичних вказівках використовуються наступні скорочення:

ЗМ – змістовний модуль; ЛЗ – лабораторне заняття;

ЛР – виконання і захист лабораторної роботи; УО – усне опитування.

МОДУЛЬ 1. МАГНЕТИЗМ. КОЛИВАННЯ ТА ХВИЛІ

Лабораторна робота № 1

ВИЗНАЧЕННЯ ГОРИЗОНТАЛЬНОЇ СКЛАДОВОЇ ВЕКТОРА МАГНІТНОЇ ІНДУКЦІЇ МАГНІТНОГО ПОЛЯ ЗЕМЛІ

Мета роботи: вивчити один з методів визначення горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля Землі.

Прилади та обладнання: тангенс-бусоль, джерело постійної напруги на 4¸6 В, амперметр постійного струму на 0.5¸1.0 А, котушка, реостат на 100¸200 Ом, з’єднувальні дроти, двополюсний перемикач.

Теоретичні відомості

Земний магнетизм (геомагнетизм) – це магнітне поле Землі та навколоземного космічного простору, яке зумовлене дією постійних джерел, що містяться всередині Землі і зазнають лише повільних вікових змін, та зовнішніх джерел (змінних), які знаходяться у магніто- й іоносфері. Відповідно, розрізняють основне (головне, 99%) і змінне (1%) геомагнітні поля. Складну картину розподілу геомагнітного поля в першому наближенні можна зобразити полем диполя, розташованого в центрі Землі, або однорідною намагніченою кулею, магнітний момент якої спрямований під кутом 11.5° до осі обертання Землі. Геомагнітні полюси Землі не збігаються з географічними. Південний полюс S_M магнітного поля Землі знаходиться біля північних берегів Америки, близько 75° північної широти і 101° західної довготи, а північний полюс N_M – в Антарктиді, близько 67° південної широти і 140° східної довготи.

Для з’ясування походження основного магнітного поля розглядалися різні гіпотези. Сучасні дані про вікові та багаторазові зміни полярності геомагнітного поля задовільно пояснюються тільки моделлю гідромагнітного динамо. Згідно з цією моделлю в електропровідному рідкому ядрі Землі проходять дуже складні й інтенсивні рухи, що спричинюють самозбудження магнітного поля, аналогічно тому, як виникає генерація електричного струму і магнітного поля в динамо-машині з самозбудженням. Дія гідромагнітного динамо заснована на явищі електромагнітної індукції в рухомому середовищі, яке під час руху перетинає силові лінії магнітного поля. Дослідження гідромагнітного динамо спираються на магнітну гідродинаміку.

У загальному випадку магнітне поле в ядрі Землі можна уявити у вигляді суми двох складових – тороїдального поля і поля , силові лінії якого лежать в меридіанних площинах.

Рис. 1.

Схему магнітних полів у гідромагнітному динамо Землі зображено на рис. 1, де – поле, близьке до поля диполя, напрямленого вздовж осі обертання Землі; – тороїдальне поле, яке замикається всередині земного ядра. Поле в сотні разів сильніше за проникаюче з ядра назовні поле .

У будь-якій точці простору навколо Землі і на поверхні Землі діють магнітні сили. Магнітне поле Землі вивчають за допомогою магнітних вимірювань (магнітна зйомка). Такі вимірювання виконуються на суші, у морях та океанах (за допомогою немагнітних суден), у повітрі (аеромагнітні зйомки) і на великих висотах (за допомогою ракет і штучних супутників Землі).

У будь-якому місці земної поверхні вектор магнітної індукції магнітного поля Землі має певне значення та напрям. Так, біля екватора він спрямований горизонтально, а біля магнітних полюсів – вертикально, в інших точках земної поверхні – під деяким кутом до неї. Значення величини індукції магнітного поля Землі змінюються від 4.2·10^-5 Тл на екваторі до 7.0·10^-5 Тл поблизу магнітних полюсів.

Основними параметрами магнітного поля Землі є магнітне нахилення q (кут між напрямом вектора і площиною горизонту, див. рис.2), магнітне схилення j (кут між горизонтальною складовою вектора та площиною географічного меридіану) і горизонтальна складова індукції магнітного поля Землі .

Рис. 2.

Географічний меридіан – це напрям, що визначає дійсне положення лінії „північ-південь” у певній місцевості.

Магнітний меридіан – це уявна лінія на земній поверхні, що збігається з напрямом земного магнітного поля (напрям стрілки компасу збігається з напрямом магнітного меридіану).

На магнітних полюсах магнітне нахилення q =±90°. Тому повна індукція та вертикальна складова магнітного поля мають однакові значення: магнітна стрілка встановлюється у вертикальному положенні.

На магнітному екваторі (q = 0°) повна індукція та горизонтальна складова дорівнюють одна одній: магнітна стрілка встановлюється у горизонтальному положенні.

Напрям вектора досліджують за допомогою магнітної стрілки, яка закріплена на вертикальній осі й може вільно обертатися тільки в горизонтальній площині. Якщо таку магнітну стрілку розмістити у центрі колової рамки зі струмом, яка розміщена вертикально в площині магнітного меридіану, то магнітна стрілка встановиться вздовж напряму вектора магнітної індукції сумарного магнітного поля: магнітного поля Землі (йдеться про горизонтальну складову , оскільки вертикальна складова зрівноважена реакцією опори стрілки) та магнітного поля колової рамки зі струмом з індукцією .

Таким чином, остаточно магнітна стрілка встановиться під певним кутом a до напряму магнітного поля Землі та займе таке положення рівноваги, при якому рівнодіюча цих двох полів буде збігатися з лінією, що з’єднує полюси стрілки. На рис. 3 NS є напрямом магнітного меридіану Землі; AB – переріз колової рамки горизонтальною площиною; – вектор горизонтальної складової магнітної індукції магнітного поля Землі; – вектор магнітної індукції магнітного поля, створеного струмом І в коловій рамці (його напрям визначається за правилом свердлика).

Рис. 3.

Тангенс кута, під яким встановлюється магнітна стрілка при проходженні струму у коловій рамці дорівнює: .

Тоді . (1)

Індукція магнітного поля в центрі одного витка обчислюється за законом Біо-Савара-Лапласа:

, (2)

де m – відносна діелектрична проникність середовища (для повітря m» 1, в той час як для вакууму m =1);

m ₀ – магнітна стала, m ₀= 4 p ·10^-7 Гн/м;

І – сила струму у витку;

R – радіус витка.

Магнітна індукція в центрі колової рамки зі струмом, що має n витків дорівнює:

. (3)

У даній роботі R = 0.075 м, n = 160 витків.

Підставивши вираз (3) у рівняння (1), отримаємо робочу формулу для обчислення величини горизонтальної складової вектора магнітної індукції магнітного поля Землі:

. (4)