Сайт викладача фізики

Перелік лабораторних робіт.

1. Дослідження тих експериментальних фактів, які підтверджують достовірність закону електромагнітної індукції.
2. Електромагнітні прилади, як приклади практичної реалізації закону електромагнітної індукції.
3. Визначення коефіцієнту трансформації та ККД трансформатора.
4. Дослідження поведінки резисторів, конденсаторів і котушок індуктивності в колі постійного та змінного струмів.
5. Визначення електричної ємності конденсатора.
6. Визначення індуктивності котушки індуктивності.
7. Визначення довжини світлової хвилі.
8. Спостереження та аналіз світлових спектрів.

.

Лабораторна робота №1.

Тема роботи. Дослідження тих експериментальних фактів, які підтверджують достовірність закону електромагнітної індукції.

Мета роботи. Дослідити та пояснити ті експериментальні факти, які підтверджують достовірність закону електромагнітної індукції.

Теоретичні відомості.

Закон електромагнітної індукції – це закон, в якому стверджується: при будь якій зміні того магнітного потоку що пронизує струмопровідний контур, в цьому контурі виникає ЕРС індукції (ЕРС→ напруга→ струм), величина якої пропорційна числу витків в контурі (N) та швидкості зміни магнітного потоку (ΔФ/Δt). Іншими словами:

якщо Ф = ВScosβ = ƒ(t), то індуцирується ℰ_ін = –N(ΔФ/Δt) → U_ін = ℰ_ін → І_ін = U_ін/R.

В законі електромагнітної індукції, знак «–» вказує на те, що індукційний струм має такий напрямок, при якому своєю магнітною дією, протидіє причині появи цього струму, тобто протидіє зміні магнітного потоку (правило Лєнца).

Обладнання: 1) демонстраційний амперметр; 2) велика і мала котушки індуктивності; 3) джерело постійного струму; 4) котушка Томсона з стержневим осердям, або демонстраційний трансформатор; 5) стержневий магніт; 6) плоскі котушки з різним числом витків та увімкнутими в їх коло лампочками; 7) суцільне алюмінієве кільце; 8) система суцільного і розрізаного алюмінієвих кілець з віссю її обертання; 9) підковоподібний магніт з системою його обертання; 10) алюмінієвий диск що вільно обертається; 11) джерело змінного струму; 12) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

Дана лабораторна робота представляє собою систему взаємодоповнюючих демонстрацій, кожна з яких так чи інакше підтверджує закон електромагнітної індукції. Ці демонстрації супроводжуються відповідними поясненнями та коментарями.

Демонстрація 1. В котушку індуктивності яка з’єднана з демонстраційним амперметром, опускають та виймають стержневий магніт. При цьому стрілка приладу відповідним чином відхиляється. Підкреслюється, що індукційний струм створюється не фактом наявності магнітного поля, а фактом його руху. Підкреслюється, що при зміні напрямку руху магніту чи його полярності, напрям індукційного струму змінюється на протилежний. Підкреслюється, що індукційний струм є кінцевою ланкою послідовності ЕРС → напруга → струм. Адже якщо коло котушка – амперметр розімкнуте, то при зміні того магнітного потоку, що пронизує котушку, ЕРС і напруга на її краях виникають, а електричний струм в колі – ні.

Демонстрація 2. Збираємо два електричні кола: 1) джерело постійного струму – мала котушка – ключ – джерело струму; 2) амперметр – велика котушка – амперметр; при цьому мала котушка знаходиться в отворі великої. Констатуємо факт того, що в момент замикання та розмиканні кола малої котушки, в колі великої котушки виникає індукційний струм. Підкреслюється, що струм виникає саме в моменти включення або викючення первинного струму, тобто в ті моменти, коли той магнітний потік, що пронизує вторинну магнітну котушку змінюється.

Констатуємо факт того, що індукційний струм з’являється і тоді, коли мала котушка з постійним струмом переміщується відносно великої, а отже в ситуації коли той магнітний потік, що пронизує вторинну котушку змінюється.

Демонстрація 3. Котушку Томсона з високим стержневим осердям, на короткий час вмикаємо в коло змінного струму. В змінне магнітне поле котушки почергово вносимо вторинні котушки з різним числом витків та умімкнутою в їх коло індикаторною лампочкою. Фіксуємо: 1) по мірі наближення вторинної котушки до джерела магнітного поля, лампочка горить яскравіше (величина індукційного струму збільшується); 2) за однакових умов, величина індукційного струму, в катушці з більшим числом витків є більшою.

Пояснюємо. Той змінний струм, що протікає в котушці Томсона, створює відповідне магнітне поле, інтенсивність якого по мірі віддалення від джерела поля поступово зменшується. При внесені в це змінне поле вторинної котушки, в ній у відповідності з законом електромагнітної індукції виникає ЕРС → напруга → струм, величина яких залежить від швидкості зміни магнітного потоку (інтенсивності магнітного поля) та числа витків у вторинній котушці.

Демонстрація 4. На осердя котушки Томсона нанизуємо алюмінієве кільце. Фіксуємо, що в момент включення змінного струму, кільце вистрибує з магнітного поля, а при його поверненні висить в магнітному полі.

Пояснюємо. В момент включення змінного струму, той магнітний потік, що пронизує струмопровідне кільце різко збільшується. При цьому в кільці, згідно з законом електромагнітної індукції виникає індукційний струм, який протидіє зміні магнітного потоку. А в умовах нашого експеременту, протидіяти зміні магнітного потоку, означає вилітати з цього потоку, що власне і відбувається. Якщо ж кільце примусово повертають в змінне магнітне поле, то воно зависає на тій висоті, де діюча на кільце сила тяжіння зрівноважується тією силою яка прагне викинути кільце з змінного магнітного потоку.

Факт того, що в полі змінного струму, струмопровідне кільце відштовхується від цього струму, безумовно означає, що індукційний струм направлений в сторону протилежну від напрямку первинного струму. Адже у відповідності з законом Ампера, співнаправлені струми притягуються, а протинаправлені – відштовхуються.

Демонстрація 5. З системою, яка складається з суцільного та розрізаного алюмінієвих кілець, і яка може вільно обертатися навколо центру мас системи, проводимо наступний експеримент. Наближуючи полюс стержневого магніту до отвору суцільного кільця, фіксуємо факт відштовхування кільця. Якщо ж магніт знаходиться в отворі кільця, то при витягуванні з цього отвору, кільце рухається за магнітом. При повторенні експерименту з розрізаним кільцем, подібних ефектів не спостерігається.

Пояснюємо. При наближенні магніту до суцільного кільця, той магнітний потік який пронизує кільце, зростає. При цьому в кільці, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційний струм, який своєю магнітною дією протидіє зміні магнітного потоку. А протидіяти зростанню магнітного потоку, означає відштовхуватися від магніту. Якщо ж магніт знаходиться всередені кільця і прагне вийти з кільця, то той магнітний потік що пронизує кільце зменшується, а протидіяти цьому зменшенню означає рухатися за магнітом.

Коли ж аналогічні експерименти проводяться з розрізаним кільцем, то те електричне коло в якому мавби виникати індукційний струм є розірваним. Тому цей струм не виникає, а відповідно не відбуваються і ті ефекти які притаманні цьому струму.

Демонстрація 6. До тепер ми розглядали ситуації, в яких той магнітний потік що пронизує струмопровідний контур, був перпендикулярним до площини відповідного контура. В законі ж електромагнітної індукції стверджується: при будь якій зміні того магнітного потоку, що пронизує струмопровідний контур … Ілюструючи оте «при будь якій зміні магнітного потоку», проводимо наступну демонстрацію. Перед підковоподібним магнітом, що може примусово обертатися навколо осі своєї симетрії, розташовуємо алюмінієвий диск, що вільно обертається навколо його геометричного центру. Фіксуємо, що при обертанні магніту, алюмінієвий диск починає обертатися в тому ж напрямку що й магніт, і що при зміні напрямку обертання магніту, змінюється і напрям обертання диску.

Пояснюємо. При обертанні магніту, той магнітний потік, що пронизує струмопровідний диск (систему струмопровідних контурів) обертальним чином змінюється. При цьому, згідно з законом електромагнітної індукції, в цьому диску виникає індукційний струм, який своєю магнітною дією має протидіяти зміні магнітного потоку. А в умовах даного експерименту, протидіяти зміні магнітного потоку, означає обертатися за цим потоком. Що власне і відбувається.

Узагальюючи результати проведених демонстрацій та їх пояснень робимо відповідні висновки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №2.

Тема роботи. Електромагнітні прилади, які є прикладами практичної реалізації закону електромагнітної індукції.

Мета роботи. Розглянути загальний устрій та принцип дії тих загально відомих електромагнітних приладів, які є прикладами практичного застосування закону електромагнітної індукції.

Теоретичні відомості.

Закон електромагнітної індукції, це закон, в якому стверджується: при будь якій зміні того магнітного потоку що пронизує струмопровідний контур, в цьому контурі виникає ЕРС індукції (ЕРС→ напруга→ струм), величина якої пропорційна числу витків в контурі (N) та швидкості зміни магнітного потоку (ΔФ/Δt).

Обладнання: 1) діюча модель індукційного генератора; 2) діюча модель трансформатора; 3) модель двигуна змінного струму; 4) модель індукційного мікрофона.

Хід роботи.

Розглядаємо загальний устрій та принцип дії тих загально відомих приладів, які є наочними прикладами практичного застосування закону електромагнітної індукції. Наголошуємо на факті того, що принцип дії відповідного приладу, базується на застосуванні закону електромагнітної індукції. За можливості демонструємо роботу приладу.

1. Індукційний генератор – прилад, в якому явище електромагнітної індукції застосовується для перетворення механічної роботи в енергію електричного струму.

Будова. Індукційний генератор представляє собою сукупність трьох базових елементів: постійний магніт (індуктор), намотана на феромагнітне осердя струмопровідна рамка (якір), механізм обертання рамки. Принцип дії. Постійний магніт (індуктор) в сукупності з феромагнітним осердям якоря, створює постійне магнітне поле, в якому знаходиться струмопровідна рамка. В процесі примусового обертання рамки, магнітний потік що її пронизує, постійно змінюється. При цьому в рамці, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційна ЕРС, яка створює на краях рамки відповідну електричну напругу, яка в свою чергу (за умови замкнутості зовнішнього електричного кола) створює відповідний електричний струм.

2. Трансформатор – прилад, який трансформує, тобто змінює, напругу в колі змінного струму. Будова. Трансформатор представляє собою сукупність трьох взаємопов’язаних деталей: двох котушок індуктивності (обмоток трансформатора) об’єднаних замкнутим феромагнітним осердям (магнітопроводом). Принцип дії. Наявна змінна первинна напруга u₁, створює в первинній котушці трансформатора відповідний змінний струм і₁, який в свою чергу в сукупності з феромагнітним осердям створює відповідний змінний магнітний потік Ф₁. Цей потік пронизує витки вторинної котушки і згідно з законом електромагнітної індукції створює в них вторинну напругу u₂, величина якої залежить від числа витків у вторинній котушці. А це означає, що змінюючи число витків у вторинній котушці трансформатора, можна отримувати практично будь яку напругу.

3. Електродвигун змінного струму – прилад, який перетворює енергію змінного струму в механічну роботу. Будова. В загальному випадку електродвигун змінного струму складається з двох базових частин: індуктора та якоря. При цьому індуктор, представляє собою сукупність пустотілого циліндричного феромагнітного осердя та системи струмопровідних обмоток. Якорем двигуна змінного струму в найпростішому випадку може бути суцільний залізний циліндр, який має вісь обертання і знаходиться в середині індуктору. Принцип дії. Змінний електричний струм, протікаючи обмотками індуктора, створює в середині цього індуктора обертальне магнітне поле. При цьому, в тілі якоря, згідно з законом електромагнітної індукції, виникає індукційний струм, який своєю магнітною дією змушує якір обертатись в напрямку обертання магнітного поля.

4. Індукційний мікрофон – прилад, який перетворює енергію звукових коливань у відповідні коливання індукційного струму. Будова. Базовими складовими індукційного мікрофона є: постійний циліндричний магніт, легка струмопровідна котушка індуктивності, чутлива до звукових коливань мембрана (діафрагма). Принцип дії. Постійний циліндричний магніт створює однорідне магнітне поле. В цьому полі знаходиться легка струмопровідна котушка яка жорстко з’єднана з чутливою до звукових коливань мембраною. В потоці звукових хвиль, мембрана, а разом з нею і струмопровідна котушка, здійснюють відповідні механічні коливання. При цьому, той магнітний потік що пронизує котушку змінюється. А це означає, що згідно з законом електромагнітної індукції, на виході котушки генерується змінна напруга, частотні та амплітудні параметри якої в точності повторюють параметри відповідної звукової хвилі.

Узагальюючи вище розглянуті приклади практичного застосування закону електромагнітної індукції, робимо відповідні висновки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №3.

Тема роботи. Визначення коефіцієнту трансформації та ККД трансформатора.

Мета роботи. Навчитися визначати коефіцієнт трансформації та ККД трансформатора.

Теоретичні відомості.

Трансформатор, це прилад, який трансформує (змінює) напругу в колі змінного струму. До числа основних характеристик трансформатора відносяться: коефіцієнт трансформації (k), та коефіцієнт корисної дії (η).

Коефіцієнт трансформації – це фізична величина, яка чисельно дорівнює відношенню вихідної напруги трансформатора (U₂) до його вхідної напруги (U₁) виміряних в режимі холостого ходу трансформатора, тобто за умови відсутності струму у вторинній обмотці трансформатора: k = U₂/U₁.

Коефіцієнт корисної дії (ККД) – це фізична величина, яка характеризує ефективність використання енергії в тому чи іншому приладі, і яка дорівнює відношенню тієї роботи, яка в умовах даного приладу є корисною, до загальної кількості спожитої приладом енергії (роботи): η = (А_кор/А_заг)100%. Не важко збагнути, що в трансформаторі корисною є та робота, яка виконується в колі вихідної (вторинної) обмотки (А_кор = А₂ = U₂I₂t₂).  Загальною ж є та робота яка виконується в колі вхідної (первинної) обмотки (А_заг = А₁ = U₁I₁t₁). Зважаючи на це, та враховуючи факт того, що час роботи вихідної та вхідної обмоток є однаковим (t₂ = t₁), можна записати η = (U₂I₂/U₁I₁)100%.

Обладнання: 1) трансформатор; 2) джерело змінного струму; 3) два вольтметри для змінного струму; 4) два амперметри для змінного струму; 5) реостат; 6) вимикач; 7) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. Збираємо електричне коло за схемою:

1. В режимі холостого ходу трансформатора (вимикач в положенні вимкнуто), фіксуємо показання вольтметрів U₁ і U₂.
2. В робочому режимі трансформатора (вимикач в положенні ввімкнуто), фіксуємо показання вольтметрів U′₁ і U′₂, та амперметрів А′₁ і А′₂.
3. За формулами k = U₂/U₁, η = (U′₂I′₂/U′₁I′₁)100%, визначаємо відповідно коефіцієнт трансформації (k) та ККД (η) трансформатора.
4. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
5. За допомогою реостату змінюємо навантаження у вторинній обмотці трансформатора.
6. Для нового навантаження, в робочому режимі трансформатора, фіксуємо нові показання вольтметрів U′₁ і U′₂ і амперметрів А′₁ і А′₂ та визначаємо величину ККД трансформатора (η = (U′₂I′₂/U′₁I′₁)100%) за нових умов. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
7. На основі аналізу проведених експериментів, вимірювань та обчислень, робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

№ п/п	Холостий хід		Робочий режим				Коеф. тр – ції	ККД
	U1	U2	U′1	I′1	U′2	I′2	k	η
–	В	В	В	А	В	А	–	%
1
2

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №4.

Тема роботи. Дослідження поведінки резисторів, конденсаторів і котушок індуктивності в колі постійного та змінного струмів.

Мета роботи. Експериментально дослідити поведінку резисторів, конденсаторів і котушок індуктивності в колі постійного та змінного струмів. Зробити відповідні висновки.

Обладнання: 1) джерело постійного та змінного струмів; 2)  резистор змінного опору; 3) конденсатор змінної ємності (батарея конденсаторів); 4) котушка змінної індуктивності; 5) лампочка розжарювання; 6) вимикач;  7) з’єднувальні дроти. 

Хід роботи.

Дана лабораторна робота виконується за схемою:

1. На основі загальних відомостей про устрій та принцип дії відповідного приладу, робиться теоретичне передбачення щодо поведінки цього приладу в колі постійного та змінного струмів.
2. Достовірність передбачення перевіряється експериментально. Ця перевірка полягає в тому, що відповідний прилад вмикають спочатку в коло постійного, а потім змінного струмів та аналізують його поведінку за різної величини його базових параметрів: за різної величини опору (R) резистора; за різної величини ємності (C) батареї конденсаторів; за різної величини індуктивності (L) котушки індуктивності. При цьому індикатором величини струму в колі, а відповідно і загального опору кола, є лампочка розжарювання.
3. За результатами експериментів та теоретичних міркувань, формулюються відповідні висновки.

Резистор. Оскільки резистор представляє собою звичайний провідник з певним наперед визначеним опором (а по суті шматок струмопровідного дроту), то можна передбачити, що в колі постійного і змінного струмів, електрична поведінка резистора буде однаковою: резистор проводитиме електричний струм. При цьому, згідно з законом Ома, величина відповідного струму буде обернено пропорційною опору резистора, який в свою чергу залежатиме від питомого опору матеріалу провідника (ρ), його довжини (ℓ) та площі поперечного перерізу (S): I = U/R,  де  R = ρℓ/S.

Перевіряючи дані теоретичні передбачення, фрагмент кола вимикач – реостат – лампочка розжарювання, спочатку замикаємо через джерело постійного струму. Шляхом пересування повзунка реостату змінюємо його електричний опір і за поведінкою лампочки розжарювання, робимо висновки що до поведінки резистора в колі постійного струму. Потім фрагмент кола вимикач – реостат – лампочка розжарювання, замикаємо через джерело змінного струму. Повторюємо наші дослідження і робимо висновок що до поведінки резистора в колі змінного струму.

Висновок 1. Резистор, в колі постійного і змінного струмів веде себе однаково: проводить електричний струм. При цьому, резистор має певний електричний опір, величина якого залежить від питомого опору матеріалу провідника, його довжини та площі поперечного перерізу. Цей опір називають активним (R_A = ρℓ/S).

Конденсатор. Оскільки конденсатор представляє собою систему двох струмопровідних поверхонь, розділених шаром діелектрика, тобто матеріалу який не проводить електричний струм, то можна передбачити, що при включенні цієї системи в коло постійної напруги, у відповідному колі, струму не буде. Не буде, за винятком моменту вмикання електричного кола. Адже в цей момент, конденсатор буде заряджатись і тому у відповідному колі протікатиме короткотривалий струм. Якщо ж говорити про коло змінного струму, то в ньому конденсатор буде постійно перезаряджатись. А це означає, що у відповідному колі постійно протікатиме змінний електричний струм.

Перевіряючи дані теоретичні передбачення, фрагмент кола вимикач – батарея конденсаторів – лампочка розжарювання, спочатку замикаємо через джерело постійного струму. Шляхом зміни напруги в електричному колі та шляхом включення або виключення окремих конденсаторів, досліджуємо поведінку конденсаторів в колі постійного струму, та робимо відповідний висновок. Потім фрагмент кола вимикач – батарея конденсаторів – лампочка розжарювання, замикаємо через джерело змінного струму. Повторюємо наші дослідження і робимо висновок що до поведінки конденсатора в колі змінного струму.

Висновок 2.  Конденсатор, в колі постійного та змінного струмів веде себе по різному. В колі постійного струму, конденсатор має безкінечна великий опір і тому не проводить електричний струм. В колі змінного струму, конденсатор проводить струм. При цьому він має певний електричний опір, величина якого обернено пропорційна ємності конденсатора. Цей опір називають ємкісним (R_C = 1/2πνC).

Котушка індуктивності. Оскільки котушка індуктивності представляє собою скручений в котушку суцільний струмопровідний дріт, то ясно, що цей дріт має проводити як постійний так і змінний струм. Втім, якщо в котушці протікає змінний струм, то він створює відповідний змінний магнітний потік. А це означає, що згідно з законом електромагнітної індукції, в цій котушці неминуче виникає певна протидія зміні магнітного потоку, а отже і тому змінному струму який створює цей потік. Електричний результат цієї протидії по суті полягає в тому, що в колі змінного струму, в котушці індуктивності з’являється певний додатковий електричний опір, величина якого прямо пропорційна індуктивності (L) котушки та частоті (ν) змінного струму.

Таким чином, наше теоретичне передбачення полягає в тому, що електрична поведінка котушки індуктивності в колі постійного та змінного струмів має бути суттєво різною. В колі постійного струму, котушка матиме звичайний активний опір (R_A = ρℓ/S) і проводитиме відповідний електричний струм (I = U/R_А). В колі змінного струму, в котушці, окрім звичайного активного опору, має виникати певний додатковий індуктивний опір (R_L) і тому сила струму у відповідному електричному колі має зменшуватись (I = U/(R_А+R_L).

Перевіряючи дані теоретичні передбачення, фрагмент кола вимикач – котушка індуктивності з рухомим феромагнітним осердям – лампочка розжарювання, спочатку замикаємо через джерело постійного струму. Шляхом піднімання або опускання феромагнітного осердя, змінюємо індуктивність (L) котушки і за поведінкою лампочки розжарювання, робимо висновок що до поведінки котушки індуктивності в колі постійного струму. Потім фрагмент кола вимикач – котушка індуктивності з рухомим феромагнітним осердям – лампочка розжарювання, замикаємо через джерело змінного струму. Повторюємо наші дослідження і робимо висновок що до поведінки котушки індуктивності в колі змінного струму.

Зауваження. Увімкнувши котушку індуктивності в коло змінного струму, не поспішайте шляхом збільшенням напруги, переконуватися в тому, що в колі тече певний електричний струм (не поспішайте добиватися того, щоб лампочка світилася). Натомість з котушки поступово витягніть феромагнітне осердя.

  

Висновок 3.  Котушка індуктивності в колі постійного та змінного струмів веде себе по різному. В колі постійного струму, котушка має певний активний опір і проводить відповідний електричний струм. В колі змінного струму, в котушці виникає певний додатковий індуктивний опір, величина якого прямо пропорційна індуктивності котушки та частоти змінного струму (R_L = 2πνL). При цьому сила струму в колі відповідно зменшується.

Узагальнюючи результати проведених теоретичних та експериментальних досліджень, робимо відповідні узагальнюючі висновки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №5.

Тема роботи. Визначення електричної ємності конденсатора.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити електричну ємність конденсатора.

Теоретичні відомості.

Електрична ємність – це фізична величина, яка характеризує здатність провідника, або спеціального приладу, накопичувати електричні заряди (енергію електричного поля) і яка дорівнює відношенню величини того заряду, який накопичується на провіднику до величини тієї електричної напруги що призвела до цього накопичення.

Позначається: С

Визначальне рівняння: С = q/U

Одиниця вимірювання: С = Кл/В = Ф,  фарада.

Електричну ємність конденсатора можна визначити із наступних міркувань. В колі змінного струму конденсатор має ємкісний опір, величина якого визначається за формулою R_C = 1/2πνC. При цьому для струмів наявної в наших лініях електропередач частоти (ν = 50Гц), величина цього опору є досить великою. Наприклад для С = 1мкФ, R_C = 3,2·10³(Ом). З іншого боку, конденсатор має певний активний опір. Однак величина цього опору зазвичай не перевищує 1(Ом). Ясно, що в такій ситуації, наявністю активного опору можна знехтувати і вважати, що в колі змінного струму загальний опір конденсатора дорівнює його ємкісному опору: R_заг = R_C = 1/2πνC. З іншого боку, в колі змінного струму, величину загального опору конденсатора можна визначити за визначальним рівнянням R_заг = ~U/~I.

Таким чином, якщо конденсатор невідомої ємності (С) включити в коло змінного струму відомої невеликої частоти (ν = 50Гц), і виміряти силу струму (~І) в колі та падіння напруги (~U) на конденсаторі, то ємність конденсатора можна визначити із співвідношення ~U/~I = 1/2πνC, тобто за формулою С = (~І)/2πν(~U).

Обладнання: 1) джерело змінного струму частота якого 50Гц; 2) досліджувані конденсатори (батарея конденсаторів); 3) амперметр змінного струму; 4) вольтметр змінного струму; 5) вимикач; 6) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. Збираємо електричне коло за схемою, в яку включаємо конденсатор умовно невідомої ємності (умовно невідомої в тому сенсі, що в реальності ця ємність відома, і що експериментально визначивши ємність конденсатора, ми матимемо змогу отриманий результат порівняти з реальною величиною).

1. Замикаємо електричне коло і фіксуємо показання амперметра і вольтметра.
2. За формулою С = (~І)/2πν(~U) визначаємо ємність конденсатора.
3. Отриманий результат порівнюємо з паспортною величиною ємності відповідного конденсатора.
4. Результати вимірювань і обчислень записуємо у відповідну таблицю.
5. В зібраному електричному колі замінюємо попередній конденсатор на новий. Повторюємо вимірювання та розрахунки.
6. За результатами проведених експериментів, вимірювань та обчислень робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

№ п/п	Частота струму	Сила струмув колі	Напруга наконденсаторі	Ємністьконденсатора	Реальнаємність конд.
–	ν	~І	~U	C	Cр
–	Гц	А	В	Ф	Ф
1
2

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №6.

Тема роботи. Визначення індуктивності котушки індуктивності.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити індуктивності котушки індуктивності.

Теоретичні відомості.

          Індуктивність котушки – це фізична величина, яка характеризує здатність котушки створювати концентровані магнітні потоки і яка дорівнює відношенню того магнітного потоку, який створює котушка до величини сили струму в ній.

Позначається: L

Визначальне рівняння: L = Ф/І

Одиниця вимірювання: [L] = Гн,  генрі

Індуктивність котушки можна визначити із наступних міркувань. Відомо, що в колі постійного і змінного струмів котушка індуктивності веде себе по різному. В колі постійного струму вона має певний активний опір, величина якого визначається за формулою R_A = ρℓ/S. В колі ж змінного струму, в котушці окрім активного опору виникає певний додатковий опір, який називається індуктивним і величина якого визначається за формулою R_L = 2πνL. Звідси L = R_L/2πν, де ν = 50Гц, R_L = ?

Дослідження показують, що активний та індуктивний опори додаються як взаємо перпендикулярні вектори, і що величина результуючого опору визначається за формуло R_заг = √(R_A²+R_L²). Звідси R_L = √(R_рез² – R_A²), де R_A = U/I, R_заг = ~U/~І.

Таким чином, для того щоб визначити індуктивність котушки, цю котушку спочатку потрібно включити в коло постійного струму, та вимірявши силу струму (І) в ній та величину напруги (U) на ній, визначити її активний опір R_A = U/I. Потім котушку потрібно включити в коло змінного струму, виміряти величину сили струму (~І) і напруги (~U) та визначити загальний опір котушки R_заг = ~U/~І. Знаючи величину R_A і R_заг, визначають величину R_L = √(R_рез² – R_A²), а відповідно і L = R_L/2πν.

Обладнання: 1) джерело постійного та змінного струму, 2) досліджувана котушка індуктивності, 3) амперметр змінного, а отже й постійного струму, 4) вольтметр змінного, а отже й постійного струму, 5) вимикач, 6) з’єднувальні дроти.

Хід роботи.

1. Збираємо електричне коло за схемою з постійним джерелом струму:

1. Замикаючи електричне коло фіксуємо показання амперметра (І) та вольтметра (U).
2. 3. Визначаємо величину активного опору котушки: R_A = U/I.
3. В електричному колі постійне джерело струму замінюємо на джерело змінного струму.
4. Замикаючи електричне коло фіксуємо показання амперметра (~І) та вольтметра (~U).
5. Визначаємо величину загального опору котушки: R_заг = ~U/~I.
6. За формулою R_L = √(R_рез² – R_A²), визначаємо величину індуктивного опору котушки.
7. Визначаємо індуктивність котушки: L = R_L/2πν, де ν = 50Гц.
8. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
9. На основі аналізу проведених експериментів, вимірювань та обчислень робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

Напруга в колі пост. струму	Сила струму в колі пост. струму	Напруга в колі змін. струму	Сила струму в колі змін. струму	Активний опір котушки	Загальний опір котушки	Індукт. опір котушки	Індуктив-ність котушки
U	I	~U	~I	RA	R	RL	L
В	А	В	А	Ом	Ом	Ом	Гн

Розрахунки.

Висновки.

.

Лабораторна робота №7.

Тема роботи. Визначення довжини світлової хвилі.

Мета роботи. Дослідним шляхом визначити довжину хвилі фіолетового та червоного випромінювання.

Теоретичні відомості.

Видиме світло – це потік електромагнітних хвиль, довжини яких знаходяться в межах від 3,8∙10^–7м до 7,6∙10^–7м. Результатом інтерференції когерентних (узгоджених) світлових хвиль (джерелом таких хвиль є дифракційні грати) є спектральна інтерференційна картинка, аналіз якої дозволяє визначити довжину світлової хвилі. Дійсно, розглянемо ті процеси які відбуваються в системі світло – дифракційні грати – екран.

Із всього різноманіття тих хвиль які виходять з щілин дифракційних грат, обераємо ті, які виходять з точок S₁ і S₂. Такий вибір пояснюється тим, що відстань між точками S₁ і S₂ є відомою і рівною сталій дифракційних грат (|S₁S₂| = d = 0,01мм = 1·10^–5м). Стала (період) дифракційних грат (d) дорівнює відстані між крайніми точками сусідніх щілин грат і є паспортною характеристикою приладу.

Із аналізу малюнку ясно, що ті світлові хвилі які виходять з точок S₁ і S₂, в довільній точці екрану M, підсиляться тоді і тільки тоді, якщо на відрізку Δ = |S₂M| – |S₁M| поміститься ціле число довжин хвиль λ. Іншими словами, умову підсилення хвиль в точці М можна записати у вигляді Δ = n∙λ, де n – ціле число, яке дорівнює порядковому номеру тієї спектральної картинки яку можна побачити на екрані. А це означає, що довжину максимально підсиленої в точці М світлової хвилі, можна визначити за формулою λ = Δ/n.

Довжину відрізку Δ визначаємо із наступних міркувань. Із аналізу прямокутного трикутника S₁S₂S₂′ випливає, що Δ = d∙sinφ, де φ – кут при вершині S₁. З іншого боку, із аналізу взаємоповязаних трикутників S₁S₂S₂′ та MSO (точка S є серединою відрізку S₁S₂) ясно, що кути φ та φʹ, де φ’ – кут при вершині S, є чисельно рівними (φ = φʹ). При цьому, виходячи з того, що величина кута φʹ є малою (а за умови L>>ℓ, цей кут дійсно малий φʹ ˂ 10º), можна стверджувати:  sinφ = sinφʹ ≈ tgφʹ = ℓ/L,  де ℓ – відстань від точки О до точки M; L – відстань від дифракційних грат до екрану. Зважаючи на вище сказане можна записати: λ = Δ/n = d∙sinφ/n = d∙sinφʹ/n ≈ d∙tgφʹ/n = d∙ℓ/L∙n.

Таким чином, довжину підсиленої в точці M світлової хвилі, можна визначити за формулою λ = d·ℓ/L·n,  де

d = 0,01 мм = 1∙10^–5м – стала дифракційних грат (відома величина),

L – відстань від дифракційних грат до екрану (вимірюється),

ℓ – відстань від нульової лінії екрану до лінії відповідного кольору спектру (вимірюється)

n – порядковий номер спектральної картинки (для першого спектру n = 1)

Обладнання: 1) прилад для визначення довжини світлової хвилі, 2) дифракційні грати, 3) джерело світла.

Хід роботи.

1. Екран приладу виставляємо на певній відстані L від дифракційних грат.
2. Прилад для визначення довжини світлової хвилі спрямовуємо на джерело світла, наприклад те денне світло яке проходить через вікно кімнати (нитка лампочки розжарювання дає занадто яскравий спектр).
3. На екрані приладу бачимо ту спектральну картинку, появу якої передбачала теорія. Аналізуємо перший (ближній до нульової позначки) спектр загальної картинки. По перше тому, що він найяскравіший, а по друге тому, що для нього кут φ′ є найменшим, а отже відмінність між sinφʹ та tgφʹ є мінімальною.
4. Наш аналіз полягає в тому, щоб за тією картинкою яку ми бачимо на екрані приладу, та за тією лінійкою що знаходиться під екраном, визначити відстань (ℓ) від нульової лінії екрану, до лінії того кольору довжину якого ми хочемо визначити.
5. Оскільки межі видимого світлового спектру: 3,8∙10^–7м (фіолетове світло) до 7,6∙10^–7м (червоне світло), визначаються по крайнім видимим лініям відповідних кольорів, то визначаючи довжину хвилі фіолетового та червоного світла, потрібно орієнтуватися на ті частини відповідних кольорів де вони межують з чорною частиною спектру. Виходячи з цього, визначаємо відстані ℓ_ф та ℓ_ч.
6. За формулами λ_ф = d·ℓ_ф/L·n та λ_ч = d·ℓ_ч/L·n, визначаємо довжини хвиль фіолетового і червоного випромінювання.
7. Результати вимірювань і обчислень записуємо в таблицю.
8. Змінюємо відстань L і повторюємо експеримент, вимірювання та розрахунки.
9. На основі аналізу проведених експериментів, вимірювань та обчислень, робимо відповідні висновки.

Результати вимірювань та обчислень.

№ п/п	Стала грат	Відстань від грат до екрану	Відстань від 0 до лінії		Довжина хвилі
			фіолетової	червоної	фіолетової	червоної
–	d	λ	ℓф	ℓч	λф	λч
–	м	м	м	м	м	м
1
2

Розрахунки.

Висновки.

Лабораторна робота №8.

Тема роботи. Спостереження та аналіз світлових спектрів.

Мета роботи. За допомогою спектроскопу провести спостереження спектру сонячного світла, спектрів поглинання кольорових скелець, та спектрів випромінювання розріджених газів. Результати спостережень проаналізувати та замалювати.

Теоретичні відомості.

Видиме світло – це потік електромагнітних хвиль, довжини яких знаходяться в межах від 3,8∙10^–7м до 7,6∙10^–7м. Результатом розкладання світла на його складові частини є кольорова картинка, яка називається спектром випрмін6ювання. Спектри поділяються на суцільні, лінійчаті та смугасті. Крім цього вони поділяються на спектри випромінювання і спектри поглинання.

Суцільний спектр, представляє собою суцільну кольорову картинку в якій містяться всі кольори видимого світла, а отже всі електромагнітні хвилі, довжини яких знаходяться в межах від 3,8∙10^–7м до 7,6∙10^–7м. Суцільний спектр є результатом інтенсивного теплового (хаотичного) руху частинок речовини. Такі спектри дають всі розжарені тверді та рідкі тіла, а також гази високої густини, наприклад зірки (Сонце).

Лінійчатий спектр, представляє собою певний набір тонких спектральних ліній. Лінійчатий спектр є результатом тих упорядкованих процесів, що відбуваються в енергетично збуджених атомах речовини. Тому кожна різновидність атомів дає свій неповторний лінійчатий спектр. Такі спектри дають нагріті розріджені гази атомарного складу.

Смугастий спектр це складна різновидність лінійчатого спектру. Смугастий спектр є результатом тих упорядкованих процесів, що відбуваються в енергетично збуджених молекулах речовини. При цьому кожна різновидність молекул, дає свій неповторний смугастий (складний лінійчатий) спектр.

Обладнання: 1) демонстраційний спектроскоп (бажано спектроскоп прямого зору, 2) денне сонячне світло, 2) набір кольорових скелець, 3) набір газорозрядних трубок, 4) прилад для запалювання газорозрядних трубок, 5) джерело струму 6) лампочка розжарювання, 7) лампа денного світла, 8) набір кольорових олівців.

Хід роботи.

1. Спектроскоп спрямовують на джерело сонячного світла (вікно кімнати) і спостерігають суцільний спектр сонячного світла.
2. Паралельно з цим, перед щілиною спектроскопа почергово ставимо кольорові скельця, зокрема червоне, жовте, зелене, голубе, фіолетове, та спостерігаємо спектри поглинання кольорових скелець. Звертаємо увага на те, що крайні кольори спектру (червоний і фіолетовий) є простими. Простими в тому сенсі, що червоне скельце пропускає тільки червоне світло, а фіолетове – тільки фіолетове. Натомість проміжні кольори зазвичай комбіновані. Наприклад зелене скельце пропускає не лише зелене світло, а й світло суміжних кольорів – жовтого і голубого. Результати спостережень замальовуються. Замальовуються з дотриманням послідовності кольорів, але без дотримання точних пропорцій між умовними межами цих кольорів.

Суцільний спектр сонячного світла:

Спектри кольорових скулець:

червоне скельце

червоний

зелене скельце

гол

зел

жов

фіолетове скельце

фіолет

3. В прилад для запалювання газорозрядних трубок, вставляємо трубку з розрідженим воднем (гідрогеном). Вмикаємо струм і спостерігаємо світіння водню (красивий малиновий колір). Щілину спектроскопа розташовуємо так, щоб світло водню потрапляло в спектроскоп і спостерігаємо лінійчатий спектр випромінювання атомів водю. Замальовуємо цей спектр.
4. В прилад для запалювання газорозрядних трубок, вставляємо трубку з розрідженим гелієм. Вмикаємо струм і спостерігаємо світіння гелію (брудновато білий колір). Щілину спектроскопа розташовуємо так, щоб світло гелію потрапляло в спектроскоп і спостерігаємо лінійчатий спектр випромінювання атомів гелію. Замальовуємо цей спектр.

5. В прилад для запалювання газорозрядних трубок, вставляємо трубку з розрідженим неоном (або іншим інертним газом). Вмикаємо струм і спостерігаємо світіння неону (красивий оранжевий колір). Щілину спектроскопа розташовуємо так, щоб світло неону потрапляло в спектроскоп і спостерігаємо лінійчатий спектр випромінювання атомів неону. Замальовуємо цей спектр.

6. За наявності часу, спостерігаємо спектр того світла яке випромінює газорозрядна лампа денного світла. Зазвичай цей спектр є певною комбінацією суцільного та лінійчатого спектрів. При цьому суцільний спектр дає той люмінофор який покриває внутрішню поверхню скляного балону лампи і який перетворює невидиме ультрафіолетове світло газавого розряду, в видиме світло. Лінійчасту частину комбінованого спектру дають атоми парів того металу (зазвичай натрію або ртуті) який додають в розріджений газ для покращення його електропровідних властивостей.
7. За результатами спостережень робимо відповідні висновки.

Висновки.

.