Лабораторная работа №1 по физике (часть 1-я). Изучение характеристик электростатического поля. Вариант №3

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ
1) Исследовать электростатическое поле
2) Графически изобразить сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для двух конфигураций поля.
3) Оценить величину напряженности электрического поля в трех точках
4) Определить направление силовых линий

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Любое заряженное тело создает в пространстве вокруг себя электрическое поле и может взаимодействовать с внешним электромагнитным полем. Основное свойство электрического поля, отличающее его от других полей: оно действует на помещенные в него электрические заряды с силой, пропорциональной величине заряда и не зависящей от скорости движения заряда. Поле, создаваемое неподвижными зарядами, называется электростатическим. Знание характеристик электрического поля требуется при работе с линиями связи, антеннами, резонаторами, полупроводниковыми приборами и другими устройствами.
Величину взаимодействия между зарядами определяет Закон Кулона, являющийся основополагающим для всей науки об электричестве, который был установлен еще в 1780 г.:
Здесь q1 и q2 – абсолютные значения величин взаимодействующих зарядов, r– расстояние между ними, ɛ- диэлектрическая проницаемость, характеризующая среду между зарядами, ɛ0= 8,85 ×10-12 , электрическая постоянная.
Электростатическое поле в каждой точке пространства характеризуется двумя величинами: напряженностью и потенциалом. Силовая характеристика поля — напряженность — векторная величина, численно равна и совпадает с силой, действующей на единичный точечный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:
Из определения напряженности следует, что сила, действующая со стороны электрического поля на точечный заряд, равна и сонаправлена с вектором напряженности в случае положительного заряда, и противоположно направлена с вектором напряженности в случае отрицательного заряда. Единица измерения напряженности электрического поля:
Исходя из закона Кулона и определения (1), легко рассчитать величину напряженности электрического поля точечного заряда:
Электрическое поле характеризуется также потенциалом — энергетической величиной, численно равной работе электростатического поля по переносу единичного, положительного, точечного заряда q из данной точки поля в бесконечность:
Потенциал измеряется в вольтах: 1 В = 1Дж/Кл. Потенциал точечного заряда в вакууме равен:
Отметим, что потенциал - скалярная величина, которая может принимать и отрицательные значения. Физический смысл имеет величина, называемая разностью потенциалов. Разность потенциалов связана с работой сил электрического поля по перемещению точечного заряда из точки с потенциалом в точку с потенциалом следующим образом:
где - приращение потенциала.
Наконец, напомним, что введение понятий потенциала и разности потенциалов электрического поля связано с тем, что работа по перемещению заряда в электростатическом поле не зависит от траектории перемещения, а определяется лишь начальным и конечным положением заряда.
Напряженность и потенциал — две характеристики электростатического поля. Для нахождения связи между ними рассчитаем работу при малом перемещении точечного заряда q в электрическом поле из точки О в точку А (Рис. 1).
...

3. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
Установка представляет собой прямоугольную ванну с водой, в которую погружены два неподвижных электрода различной формы Э1 и Э2. Электроды присоединены к источнику постоянного низковольтного напряжения ИН. Также имеется подвижный электрод (зонд) З, с помощью которого студент исследует распределение потенциала в ванночке между электродами. Вольтметр показывает напряжение между отрицательно заряженным электродом и точкой в ванне, в которую помещен зонд.
На рисунке 5 изображен внешний вид реальной лабораторной установки. На дно ванны нанесена координатная сетка с делениями, соответствующими 1 см.
Виртуальная лабораторная установка является программным симулятором реального лабораторного оборудования и позволяет смоделировать на персональном компьютере поведение настоящего электрического поля, создаваемого используемой конфигурацией электродов ванны, и получить значения измеряемых физических величин, находящиеся в соответствии с реальным экспериментом.
Основная часть окна симулятора представляет собой координатную сетку, нанесённую на дно лабораторной электролитической ванны. В зависимости от выбранного задания, электроды ванны будут различными: на рисунке 6 показаны два одинаковых круглых электрода противоположной полярности, на рисунке 7 – плоский отрицательно заряженный электрод и круглый положительно заряженный. Зондом служит курсор мыши.
В правом верхнем углу окна расположен цифровой вольтметр, показывающий потенциал подвижного электрода-зонда относительно отрицательного полюса источника тока. Размеры клеточек ванны 1х1 см2.
Также в окне имеется таблица, в которую записываются значения измеренных потенциалов и координаты точек дна электролитической ванны, в которых эти потенциалы измеряются.
Кнопка «Удалить» позволяет стереть из таблицы последнюю внесённую запись. Кнопка «Очистить» стирает все записи из таблицы. Кнопка «Печать» используется для распечатки координатной сетки с электродами на принтере. Таблица результатов на печать не выводится.

5. ЗАДАНИЕ
В работе требуется получить графическое изображение электростатического поля при двух различных вариантах расположения электродов. Для создания отчета необходимо скопировать координатную сетку с изображенными на ней электродами. При этом можно копировать с экрана, или нарисовать сетку и электроды, используя стандартный графический редактор, или просто на тетрадном листе начертите сечение ванны и нанесите на него координатную сетку, укажите расположение электродов. Размер ванночки, форму и размер электродов предпочтительно рисовать в масштабе 1:1. Затем, после выполнения указанных ниже операций, нанесите на этот лист сечения эквипотенциальных поверхностей и силовые линии поля.
5.1 Выберите 1 вариант расположения электродов.
5.2 Установите курсор в некоторую точку ванны — вольтметр должен показать напряжение между отрицательным электродом и данной точкой. Принимая потенциал этого электрода за нуль, с помощью вольтметра определите потенциал данной точки.
5.3 Перемещая зонд по дну ванны, найдите точку с потенциалом 2 В ( точность измерений должна быть не хуже +-0,02В). Щелкните левой кнопкой мыши. При этом в таблице отобразится потенциал и координаты данной точки.
5.4 Затем перемещая зонд на небольшое, порядка 1 см, расстояние, найдите соседнюю точку с таким же потенциалом и так далее.
5.5 Потенциалы и координаты найденных точек отобразите в таблице экспериментальных результатов. Минимальное количество точек для одной линии: 5.
5.6 Определенные таким образом точки перенесите на приготовленный лист, соедините точки плавными линиями и подпишите значения потенциала. Эквипотенциальные линии должны начинаться и кончаться у краев ванны.
5.7 Аналогичные измерения проделайте для потенциалов 3,4,5,6,7 и 8 В. Таким образом, Вы должны получить 7 эквипотенциальных линий.
5.8 Выберите 2 вариант расположения электродов. Повторите действия с п.5.2 по п.5.7
5.9 На листах с изображением эквипотенциальных линий нанесите силовые линии поля с учетом масштаба. При изображении силовых линий обязательно руководствуйтесь свойствами силовых линий (стр. 7 теоретического введения). В каждом вариант расположения электродов должно быть как минимум 5 силовых линий. Чертежи вставьте в отчет.
5.10 Оцените в заданных точках с помощью формулы (14) величину напряженности электрического поля. Поскольку координатная ось ОХ расположена слева направо, то потенциалом φ2 будет обладать линия, расположенная правее данной точки, а потенциалом φ1 будет обладать линия, расположенная левее. Знак получившейся проекции будет указывать на направление силовой линии относительно оси ОХ. Укажите полярность электродов, помня, что потенциал отрицательно заряженного электрода принимается равным нулю.
5.11 Сделайте выводы по результатам работы.

6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Дайте определение электростатического поля. Сформулируйте основное свойство электрического поля, отличающее его от других полей.
2. Напряженность электрического поля: определение, формула расчета для точечного заряда, принцип суперпозиции, силовые линии, их свойства.
3. Потенциал электростатического поля: определение, разность потенциалов, принцип суперпозиции, эквипотенциальные поверхности.
4. Взаимосвязь напряженности и потенциала. Взаимное расположение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей (с доказательством).
5. Оцените величину силы, действующей на электрон, помещенный в точку B в обоих случаях расположения электродов. Как направлена сила?
6. Рассчитайте работу по перемещению электрона между точками A и C в исследуемом поле. Какими силами совершается работа в первом и во втором случае?
7. Могут ли пересекаться эквипотенциальные поверхности? Ответ аргументировать

Комментарии: Год сдачи 2021
Преподаватель: Моргачев Ю.В.
Оценка: зачет