ФИЗИКА
ЛЕКЦИОННЫЕ ДЕМОНСТРАЦИИ
Методические указания
Абакан
УДК 53(042:072)
Ф50
Ф50 Физика. Лекционные демонстрации: метод. указания / сост.
Е. Н. Скуратенко, А. В. Набатов, В. С. Окунева, И. В. Янченко; Сиб. федер. ун-т, ХТИ – филиал СФУ. – Абакан: Ред.-изд. сектор ХТИ – филиала СФУ, 2012.– 16 с.
Содержат краткие теоретические сведения, относящиеся к предлагаемым лекционным демонстрациям, описание установок и порядок выполнения эксперимента.
Предназначены для преподавателей, использующих возможности физического эксперимента в преподавательской деятельности.
УДК 53(042:072)
Рекомендовано к изданию
Научно-методическим советом ХТИ – филиала СФУ
Печатается в авторской редакции
Корректор Н. А. Решетникова
Подп. в печать 16.10.2012. Формат 60´84/16. Бумага тип. № 1.
Усл. печ. л.0,93. Уч.-изд. л. 0,78. Тираж 15 экз. Заказ 2217 С 50
Редакционно-издательский сектор Хакасского технического института –
филиала ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет»
655017, Абакан, ул. Щетинкина, 27
Отпечатано в полиграфической лаборатории ХТИ – филиала СФУ
655017, Абакан, ул. Щетинкина, 27
© ХТИ – филиал СФУ, 2012
Введение
Лекционный эксперимент является важнейшим компонентом вузовского фундаментального физического образования. Хороший лекционный эксперимент, демонстрирующийся в большой аудитории, способствует решению ряда методических и дидактических задач, стоящих перед преподавателем физических дисциплин, способствуя эффективному пониманию и восприятию материала и созданию положительного эмоционального эффекта, «оживляя» читаемый курс и повышая интерес слушателей. Особое внимание должно быть уделенонадежности и точности воспроизведения результатов, ясности их физического смысла. В методическомплане очень ценно по возможности указать фундаментальные процессы или явления,которые по смыслу связаны с демонстрируемым простым опытом.Учебный эксперимент требует развивающейся и обновляемой материальной базы, использования современных технологий. Предлагаемые лекционные экспериментыразработаны с использованием установки «Катушки Гельмгольца» ФДЭ-022М, установки ФДМТ-05 «Вязкость газов» и«Трансформатор Томсона».
Меры безопасности.
1. К работе с установками допускаются лица, ознакомленные с их устройством, принципом действия.
2. Перед началом работы с установками необходимо убедиться, что блок управления заземлен для обеспечения электробезопасности.
3. В блоке управления имеется опасное для жизни напряжение, поэтому при эксплуатации необходимо строго соблюдать соответствующие меры предосторожности:
· перед включением в сеть убедитесь в исправности сетевых соединительных шнуров;
· замену любого элемента производите только при отключенном от сети соединительном шнуре;
· при наладке и измерениях пользуйтесь надежно изолированным инструментом и пробниками.
4. Емкости с жидкостями не должны устанавливаться на изделие, за исключением предусмотренных кювет.
5. Не допускается перекрывание вентиляционных отверстий, находящихся на крышке корпуса блока управления.
6. Не допускается оставлять установку включенной без присмотра.
ВНИМАНИЕ: переключение режимов работы допускается производить только при выключенном выключателе «Сеть».
Установка«Катушки Гельмгольца» ФДЭ-022М
Установка «Катушки Гельмгольца» ФДЭ-022М»(рис. 1) предназначена для проведения демонстраций на лекциях по курсу «Физика», раздел «Электричество и магнетизм», и позволяет получать постоянные и переменные магнитные поля разной величины и направления.
Рис. 1
Установка состоит из двух плоских одинаковых катушек, расположенных параллельно друг другу так, что оси их совпадают. Считается, что посередине между катушками вблизи оси симметрии магнитное поле, создаваемое катушками, является однородным с достаточной степенью точности. Между катушками находится подъемный столик для размещения демонстрационных элементов.
Катушки подключаются к блоку управления, на котором находятся переключатель режима работы (постоянный ток – переменный ток), переключатель полярности тока и индикатор, показывающий величину тока, протекающего через катушки.
С помощью установки можно продемонстрировать:
· действие магнитного поля на проводник с током;
· контур с током в однородном магнитном поле;
· контур с током в неоднородном магнитном поле;
· явление электромагнитной индукции;
· модель атома в магнитном поле.
Основные технические характеристики представлены в табл. 1.
Таблица 1
| Величина магнитной индукции постоянного магнитного поля, создаваемого катушками, не менее, мТл | 0,6 | |
| Размер столика | 160х160 | |
| Питание от сети переменного тока: | 220В, 50Гц | |
| Потребляемая мощность, ВА, не более | ||
| Габаритные размеры, мм, не более | ||
| катушек | 510х280х450 | |
| блока управления | 260х100х220 | |
| Масса общая, кг, не более |
Устройством, позволяющим создать однородное магнитное поле в достаточно большом объеме пространства, являются кольца Гельмгольца, представляющие собой две плоские катушки радиусом R, каждая из которых содержит одинаковое количество 
витков. Катушки, соосно расположенные на расстоянии R друг от друга, соединены последовательно (рис. 2).
При протекании по ним тока I в ограниченном кольцами объеме создается магнитное поле, индукцию которого в вакууме можно рассчитать по формуле:
где 
– магнитная постоянная.
Неоднородность магнитного поля внутри колец не превышает 5%, что вполне достаточно для проведения демонстрационного и лабораторного эксперимента. Кольца Гельмгольца при рабочем токе порядка 3 А, получаемого от поставляемого в комплекте с ними источника постоянного (и переменного) тока, создают магнитное поле, достаточное для проведения демонстрационного эксперимента по темам «Магнетизм» и «Электромагнитная индукция».
Эксперименты, аналогичные опытам Фарадея, можно осуществить, поместив моток, содержащий 250–300 витков тонкой проволоки, в магнитное поле, создаваемое кольцами Гельмгольца так, как это показано на рис. 3.
Моток проволоки в этом эксперименте играет роль проводящего контура. Чтобы обнаружить ток в контуре, к нему подключают гальванометр.
В качестве гальванометра удобно использовать гальванометр от школьного демонстрационного амперметра 
поскольку сопротивление мотка проволоки порядка сотни Ом.
Поскольку:
,
полезно вспомнить, что магнитный поток через поверхность S, ограниченную проводящим контуром L, находящимся в магнитном поле с индукцией В, направление которого составляет с нормалью к поверхности контура угол a, определяется выражением:
.
Из определения потока следует, что его величину можно изменить несколькими способами:
1) можно менять величину индукции магнитного поля В;
2) можно менять площадь S контура, деформируя контур, то есть изменяя его форму;
3) и, наконец, можно менять угол a, поворачивая контур в магнитном поле.
Установка позволяет менять величину индукции магнитного поля, включая или выключая ток в цепи колец Гельмгольца с помощью ключа К, меняя его величину с помощью реостата R или путем введения ферромагнитного сердечника внутрь мотка проволоки.
Поскольку проволока тонкая, моток легко деформировать, изменяя тем самым площадь контура S, и, наконец, его несложно повернуть по отношению к направлению магнитного поля (изменяется угол 
). В момент совершения каждого из указанных действий гальванометр показывает наличие тока.
Изменять магнитный поток можно быстро или медленно. При этом стрелка гальванометра отклоняется на больший или, соответственно, меньший угол.
Большой объём, в котором магнитное поле практически однородно, позволяет поставить ещё один опыт: при перемещении мотка проволоки поперек силовых линий в пределах однородного магнитного поля можно заметить, что ток в нём не возникает 
.
Проделав указанные опыты, можно сделать следующие выводы.
Электрический ток (его называют индукционным током) возникает при изменении магнитного потока, пронизывающего контур. При этом не имеет значения, по какой причине меняется величина магнитного потока.
1.За счет изменения индукции магнитного поля (при неподвижном проводнике).
В этом случае причиной возникновения ε i является вихревое электрическое поле, приводящее к возникновению сторонних сил электрического происхождения:
Эти силы заставляют заряды двигаться (трактовка Максвелла, рис. 4).
При изменении магнитного поля вихревое электрическое поле возникает в пространстве независимо от наличия в нем проводников (рис. 4, а). Поэтому сам проводник принципиальной роли не играет, а является своеобразным прибором, позволяющим обнаружить это поле. В равной степени вихревое электрическое поле будет действовать на любой свободный заряд, оказавшийся в этом поле, заставляя его двигаться по кругу.
Если в замкнутом проводящем контуре сделать разрез, заряды будут перемещаться по проводнику до тех пор, пока возникшая между его концами разность потенциалов не уравновесит действие ЭДС индукции.
2. При перемещении проводника в постоянном магнитном поле вместе с ним будут двигаться находящиеся в нём свободные заряды. В этом случае причиной возникновения ЭДС индукции будет сила Лоренца, действующая на движущийся в магнитном поле заряд:
.
Эта сила и сыграет роль сторонней силы, заставляющей заряды двигаться.
Создание переменного магнитного поля:
1. Подключите сетевой шнур блока управления к сети. Выключатель «Сеть», на задней панели блока управления, должен находиться в положении «Выкл».
2. Установить режим работы, поставив тумблер «РЕЖИМ РАБОТЫ» в положение «~» на блоке управления.
3. Подать на катушки питание, включив выключатель «Сеть» на блоке управления.
Создание постоянного магнитного поля с «положительным» направлением:
1. Выставить режим работы, установив тумблер «РЕЖИМ РАБОТЫ» в положение «=», тумблер «ПОЛЯРНОСТЬ» – в положение «+».
2. Включить выключатель «Сеть».
3. По показанию цифрового табло индикации убедиться в наличии тока в катушках.
4. Провести необходимую демонстрацию по соответствующей методике.
5. Выключить выключатель «Сеть».
Демонстрация постоянного магнитного поля с «отрицательным» направлением:
1. Установить тумблер «ПОЛЯРНОСТЬ» в положение «–».
2. Включить выключатель «Сеть».
3. По показанию цифрового табло индикации убедиться в наличии тока в катушках.
4. Провести необходимую демонстрацию по соответствующей методике.
5. Выключить выключатель «Сеть».
6. По окончании работы с установкой отключите сетевой шнур блока управления от сети переменного тока.