Задание(практическое исследование), страница 29, часть 1 - гдз по физике 11 класс учебник Башарулы, Шункеев

Задание (практическое исследование)

Используя школьную модель генератора, исследуйте принцип работы генератора переменного тока.

Цель работы

Экспериментально изучить устройство и принцип действия модели генератора переменного тока, а также установить зависимость индуцируемой ЭДС от скорости вращения ротора.

Ответ: Целью работы является практическое исследование принципа работы генератора переменного тока.

Оборудование

1. Школьная разборная модель генератора (состоящая из статора с постоянными магнитами и ротора с катушкой).

2. Гальванометр или демонстрационный амперметр с нулевой отметкой посередине шкалы.

3. Соединительные провода.

Ответ: Для проведения исследования необходимы модель генератора, измерительный прибор (гальванометр) и провода.

Теоретическая часть

Принцип работы любого электромеханического генератора основан на явлении электромагнитной индукции. Это явление заключается в возникновении электрического тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего этот контур. Величина возникающей ЭДС индукции, согласно закону Фарадея, прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока:

$ \mathcal{E}_{i} = - \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $

Для катушки, содержащей $N$ витков, формула принимает вид:

$ \mathcal{E}_{i} = - N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t} $

Магнитный поток $ \Phi $ определяется как $ \Phi = B S \cos\alpha $, где $B$ – индукция магнитного поля, $S$ – площадь рамки, $ \alpha $ – угол между вектором магнитной индукции и нормалью (перпендикуляром) к плоскости рамки.

В генераторе переменного тока рамка (ротор) вращается в магнитном поле, создаваемом постоянными магнитами (статором). При равномерном вращении рамки с угловой скоростью $ \omega $, угол $ \alpha $ изменяется со временем по закону $ \alpha = \omega t $. Тогда магнитный поток изменяется по закону косинуса:

$ \Phi(t) = N B S \cos(\omega t) $

ЭДС индукции, возникающая в рамке, является производной магнитного потока по времени, взятой с обратным знаком:

$ \mathcal{E}_{i}(t) = - \Phi'(t) = - \frac{d}{dt}(N B S \cos(\omega t)) = N B S \omega \sin(\omega t) $

Это уравнение показывает, что ЭДС изменяется по синусоидальному закону, то есть является переменной. Амплитуда ЭДС $ \mathcal{E}_{max} = N B S \omega $ прямо пропорциональна угловой скорости вращения $ \omega $.

Ответ: Теоретической основой работы генератора является закон электромагнитной индукции, согласно которому переменная ЭДС возникает в катушке при изменении проходящего через нее магнитного потока, что достигается вращением катушки в магнитном поле.

Порядок выполнения работы

1. Соберите электрическую цепь, соединив выводы катушки генератора с клеммами гальванометра с помощью проводов.

2. Убедитесь, что в состоянии покоя (когда рукоятка генератора неподвижна) стрелка гальванометра находится на нулевой отметке.

3. Начните медленно и равномерно вращать рукоятку генератора. Наблюдайте за стрелкой гальванометра. Зафиксируйте, что она поочередно отклоняется то в одну, то в другую сторону от нулевого положения.

4. Увеличьте скорость вращения рукоятки. Наблюдайте за изменением максимального отклонения стрелки гальванометра. Заметьте, что амплитуда колебаний стрелки увеличилась.

5. Попробуйте вращать рукоятку в обратном направлении. Сравните показания гальванометра с наблюдениями из пункта 3.

Ответ: В ходе эксперимента необходимо собрать цепь и наблюдать за показаниями гальванометра при вращении ротора генератора с разной скоростью и в разных направлениях.

Анализ результатов и выводы

1. Отклонение стрелки гальванометра при вращении катушки в магнитном поле доказывает возникновение в ней индукционного тока.

2. Так как стрелка гальванометра отклоняется поочередно в обе стороны от нуля, это означает, что направление тока в цепи периодически меняется на противоположное. Следовательно, генератор вырабатывает переменный ток.

3. Увеличение амплитуды отклонения стрелки при увеличении скорости вращения катушки подтверждает теоретический вывод о том, что амплитуда индуцируемой ЭДС (и, как следствие, силы тока) прямо пропорциональна скорости вращения ( $ \mathcal{E}_{max} \propto \omega $ ).

4. Вращение рукоятки в обратную сторону приводит к изменению последовательности отклонений стрелки, но характер переменного тока сохраняется.

Вывод: Проведенное исследование подтверждает, что работа генератора переменного тока основана на явлении электромагнитной индукции. Механическое вращение проводящей рамки в магнитном поле приводит к периодическому изменению магнитного потока через нее, что, в свою очередь, индуцирует в рамке переменную синусоидальную ЭДС. Величина и частота вырабатываемой ЭДС зависят от скорости вращения рамки.

Ответ: Исследование показывает, что генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию переменного тока на основе принципа электромагнитной индукции, причем параметры тока зависят от скорости вращения.