Дослідження явища електромагнітної індукції

Автор Чернецький Ігор
Завідувач відділу створення навчально-тематичних систем знань НЦ «Мала академія наук України», кандидат педагогічних наук, голова Всеукраїнської громадської організації «Асоціація учителів фізики “Шлях освіти – ХХІ”». Наукові інтереси: моделювання освітніх та навчальних середовищ загальноосвітніх і позашкільних навчальних закладів з урахуванням трендів розвитку сучасних засобів навчання.

Теоретична частина

Рис. 1. Зовнішній вигляд експериментального пристрою

Явище електромагнітної індукції полягає у виникненні ЕРС індукції у замкнутому контурі при зміні магнітного потоку, що його перетинає. Магнітний потік у роботі створюється магнітом, що падає і проходить крізь витки котушки, замкнутої на вимірник напруги в ЦВК. Фінальна величина ЕРС визначається законом:

 , (1)

де N – кількість витків у котушці; ΔΦ – зміна магнітного потоку через один виток. Зміна магнітного потоку через усі витки котушки називається зміною магнітозчеплення і позначається ΔΨ. Вона визначається згідно  з законом електромагнітної індукції за виразом:

(2)

Зміну магнітозчеплення визначають площею фігури між графіком зміни ЕРС індукції з часом та віссю абсцис, яку легко отримати математичними засобами програмного забезпечення. Швидкість руху магніту крізь котушку можна визначити, знаючи довжину магніту і час його проходження крізь котушку.

 (3)

У завданнях роботи зазначено, що потрібно провести декілька експериментів із різною швидкістю падіння магніту. Це можна забезпечити, кидаючи його з різної висоти. Час проходження магніту визначається часом, що фіксують фотоворота, теж з’єднані з ЦВК. ЕРС індукції рівна напрузі, що виникає на котушці і вимірюється ЦВК.

Хід роботи

Частина 1. Отримання даних 

1. Складіть електричне коло, представлене на схемі.

Для проведення експерименту необхідно стабілізоване джерело напруги. Виставте напругу живлення фотоворіт 5 В.

2. Закріпіть у штативі скляну трубку з котушкою. Над котушкою закріпіть фотоворота. Відрегулюйте положення трубки так, щоб магніт міг вільно рухатися, падаючи крізь трубку.
3. З’єднайте ЦВК з ПК та запустіть програмне забезпечення. Оберіть у програмі прилад – “Універсальний вимірювач”.

4. У вікні програми оберіть такі налаштування:

5. Розташуйте магніт на першій обраній висоті, увімкніть запис даних і вільно відпустіть магніт. Коли магніт впаде, вимкніть запис даних та передайте їх на опрацювання.
6. Проведіть такі самі дії, змінюючи висоту падіння магніту.
7. Якщо можливості провести експеримент немає, завантажте дані вимірювань з ресурсу.

Аналіз даних

1. Для аналізу отриманих даних у наведеному експерименті використовується програма Phywe measure 4 версія 6.13 (https://repository.curriculab.net/files/software/setupm_version_4613.exe). Файл даних має бути отриманий або відкритий у цій програмі.
2. На екрані збережено вікна графіків, що відповідають усім дослідам.
3. Оберіть одне вікно. У графічному вікні розташовані два графіки.

Рис. 2. Зовнішній вигляд екрану з графіками напруги і фіксацією часу фотоворотами

4. Оберіть інструмент “Огляд” . Виділіть рамкою цього інструменту імпульс на графіку часу руху магніту. Зчитайте значення цього часу в рамці поряд і занесіть його до таблиці.
5. Виділіть рамкою імпульс напруги і визначте середнє значення ЕРС протягом цього імпульсу. Занотуйте значення ЕРС до таблиці.
6. Інструментом “Виділення”  відзначте першу частину імпульсу напруги на котушці. Оберіть у вкладинці “Аналіз” – “Показати інтеграл”.

Зчитайте значення інтеграла та занотуйте до таблиці. Це значення магнітозчеплення Ψ_1. Повторіть дії з другою частиною імпульсу напруги. Це значення магнітозчеплення Ψ₂.

7. Розрахуйте середнє значення магнітозчеплення і занотуйте до таблиці.
8. Виміряйте довжину магніту l та, користуючись виразом (3), розрахуйте швидкість руху магніту. Занотуйте значення до таблиці.
9. Повторіть усі дії аналізу для решти дослідів.
10. Перенесіть табличні значення до математичних таблиць і побудуйте інструментами математичних таблиць графіки ε(v) та ΔΨ(v).
11. Проаналізуйте впливові фактори, що визначають похибку вимірювань, та сформулюйте висновок до роботи.

Таблиця результатів