WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
УДК 537 Министерство образования Российской Федерации Э45 Омский государственный университет Рекомендован к изданию учебно-методической комиссией физического факультета ОмГУ Э45 Электричество и магнетизм: Лабораторный практикум.

Ч. III / Сост.: А.Б. Муравьев, И.С. Позыгун. – Омск: Омск. гос.

ун-т, 2004. – 80 с.

Электричество и магнетизм Практикум включает 10 лабораторных работ по курсу «Электричество и магнетизм». Материал подготовлен в соответствии с ГосуЛабораторный практикум дарственным образовательным стандартом по специальности 010400 Часть III «Физика».

Предназначен для студентов физического факультета. Может быть (для студентов физического факультета) использован при обучении студентов других специальностей.

УДК 537 Издание Омск © Омский госуниверситет, 2004 ОмГУ 2004 1 2 Лабораторная работа № 1 Разность потенциалов между точками 1 и 2 равна нулю, так как они находятся на одной эквипотенциали. В этом случае из (1) Моделирование электростатических полей 2 2 1 - 2 = E dl = 0 или E dl cos(E dl ) = 0.

1 1 Цель работы: определение расположения эквипотенциальных по верхностей, построение силовых линий электрических полей, задаваеПоскольку Е и dl не равны нулю, то cos (E dl ) = 0, т. е. угол межмых электродами различной конфигурации, и построение качественной ду эквипотенциалью и силовой линией составляет /2, так что силовые зависимости напряжённости электрического поля от координаты.

линии и эквипотенциали образуют «криволинейные квадраты».

Из (2) следует, что силовые линии всегда направлены в сторону Между напряжённостью электрического поля и электрическим убывания потенциала. Величина напряжённости электрического поля потенциалом существует интегральная и дифференциальная связь:

2 определяется «густотой» силовых линий; чем гуще силовые линии, тем 1 - 2 = E dl, (1) меньше расстояние между эквипотенциалями. Исходя из этих принци пов, можно построить картину силовых линий, располагая картиной E = -grad. (2) эквипотенциалей, и наоборот.

Электростатическое поле может быть представлено графически Достаточно подробная картина эквипотенциалей поля позволяет двумя способами, дополняющими друг друга: с помощью эквипотенцирассчитать в разных точках значение проекции вектора напряжённости альных поверхностей и линий напряжённости (силовых линий).

E на выбранное направление х, усредненное по некоторому интервалу координаты х:

< Eх >= -, (3) х где х – приращение координаты при переходе с одной эквипотенциали E на другую, м; – соответствующее ему приращение потенциала, В;

< Eх > – среднее значение проекции Ех между двумя эквипотенциалями, В/м; Ех – проекция E на ось х, В/м.

У поверхности металла напряжённость связана с величиной поx верхностной плотности заряда соотношением n = 0E = 0, (4) n где n – изменение координаты в направлении, перпендикулярном поверхности металла, м; n – соответствующее ему приращение потенциала, В.

Рис. Описание установки и методики измерений Поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал, называется эквипотенциальной. Линия пересечения ее с плоскостью черДля моделирования электростатического поля удобно использотежа называется эквипотенциалью. Силовые линии – линии, касательвать аналогию, существующую между электростатическим полем, соз ные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора E.

данным заряженными телами данной формы в вакууме, и электричеНа рис. 1 пунктирными линиями представлены эквипотенциали, сплошским полем постоянного тока, текущего по проводящей плёнке с одноными – силовые линии электрического поля.

родной проводимостью. При этом расположение силовых линий элек 3 тростатического поля оказывается аналогично расположению линий Лабораторный электрических токов.

модуль То же утверждение справедливо для потенциалов. Распределение потенциалов поля в проводящей плёнке такое же, как в электростатическом поле в вакууме, если оно задано заряженными телами, сечение которых плоскостью плёнки совпадает со «следом», оставляемым моделью электрода на плёнке, а высота бесконечно велика. Например, при использовании моделей электродов, приведенных на рис. 2, на проводящей плёнке возникает такое же распределение потенциалов, как в элекВыносной элемент тростатическом поле в вакууме, созданном двумя бесконечно длинными плоскостями, перпендикулярными плоскости плёнки.

Рис. Выносной элемент представляет собой диэлектрическую панель, на которую помещают лист миллиметровой бумаги, поверх нее – лист копировальной бумаги, затем – лист электропроводящей бумаги, на которой устанавливаются электроды. Электрическая схема лабораторной работы изображена на передней панели модуля (рис. 4).

Моделирование электростатических полей на электропроводящей бумаге Рис. В качестве проводящей плёнки в работе используется электроРис. проводящая бумага с одинаковой во всех направлениях проводимостью.

На бумаге устанавливаются массивные модели электродов, так что обесНапряжение от источника питания ИП с ЭДС E1 подается на одпечивается хороший контакт между электродом и проводящей бумагой.

нополюсные розетки 1 и 2, к которым подключаются электроды, устаДля исследования электростатического поля применяется установка новленные на электропроводящей бумаге. К модулю также подключают(рис. 3), состоящая из лабораторного модуля, зонда, выносного элеменся зонд (к однополюсной розетке 3) и вольтметр (к однополюсным рота, источника питания ИП и вольтметра.

зеткам 4 и 5). В качестве вольтметра используется мультиметр.

5 Потенциал зонда равен потенциалу той точки поверхности элек- Обработка результатов измерений тропроводящей бумаги, которой он касается. Совокупность точек, для 1. На картине поля начертить координатную ось x, проходящую которых потенциал одинаков, и есть изображение эквипотенциали поля.



через центры электродов.

Вольтметр измеряет разность потенциалов между одним из электродов 2. В табл. 1 записать координаты и соответствующие им потени зондом (точкой на электропроводящей бумаге, которой касается зонд).

циалы точек поля. Построить график = f(х).

Для построения эквипотенциалей необходимо найти 7–8 точек с одинаковым потенциалом. Нахождение точек осуществляется путем перемеТаблица щения зонда по электропроводящей бумаге. Для построения модели Номер 1 2 … элетростатического поля необходимо определить местонахождение 6–, В эквипотенциалей.

В качестве источника питания в данной работе используется ис- х, см точник питания «Марс».

3. Построить картину силовых линий поля. Густота и направлеПорядок выполнения работы ние силовых линий должны соответствовать расположению эквипотенциалей.

1. Укрепить на предметном столике лист миллиметровой бумаги, 4. По формуле (3) рассчитать средние значения напряжённости на него положить копировальную бумагу, а поверх нее лист электропроэлектрического поля в точках с координатами xср, расположенных приводящей бумаги.

мерно в середине каждой пары эквипотенциалей. Результаты занести в 2. Установить на электропроводящей бумаге электроды, моделитабл. 2.

рующие систему «плоскость–плоскость» или «длинный цилиндр над плоскостью».

Таблица 3. Включить источник питания и установить по вольтметру на лицевой панели прибора напряжение по указанию преподавателя (9–12 В).

№ xср i, В i-1, В n=i-i-1, В х, см <Ех>, В/см 4. Снять картину электрического поля:

п/п а) касаясь зондом электродов, определить потенциалы электродов и обвести контуры электродов. Контуры электродов определяют крайние эквипотенциали;

… б) перемещая зонд по бумаге, найти и отметить точки, соответствующие данной эквипотенциали. Точки отмечают в момент, когда 5. Построить график зависимости < Ех(x) > по данным табл. 2.

вольтметр показывает одинаковое значение разности потенциалов меж6. Рассчитать поверхностную плотность заряда на электродах, ду данной точкой на электропроводящей бумаге и одним из электродов используя формулу (4).

( первая серия (7–8 точек) – 1,5 В, вторая серия – 3,0 В, третья серия – 4,5 В и т. д.);

Контрольные вопросы в) отключить лабораторную установку от сети;

г) снять миллиметровку с доски и по точкам начертить экви1. Что называется напряжённостью электростатического поля потенциали. На каждой эквипотенциали отметить соответствующее ей 2. Что называется разностью потенциалов, потенциалом электрозначение потенциала.

статического поля 3. Какова дифференциальная связь между вектором напряжённости электростатического поля и потенциалом 7 4. Какова интегральная связь между разностью потенциалов и рые подается напряжение на конденсатор, и замыкаются контакты, ченапряжённостью электростатического поля рез которые к заряженному конденсатору подключается измерительный 5. На чем основывается возможность моделирования электроста- прибор. Этот процесс проходит с частотой питания обмотки поляризатических полей ционного реле, равной 50 Гц.

6. Каковы особенности взаимного расположения эквипотенциалей и силовых линий электростатического поля Литература 1. Детлаф А.А. и др. Курс физики: Электричество и магнетизм.

М.: Высшая школа, 1977. Т. II. § 1.1–3.4.

2. Иверонова Б.И. Физический практикум: Электричество и оптика. Ш.: Наука, 1968. С. 9–15.

3. Савельев К.В. Курс общей физики: Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, I988. Т. 2. § 2–14.

4. Сивухин Д.Б. Общий курс физики: Электричество. М.: Наука, I977. Т. III. § 5–8.

Рис. За время Т, равное периоду перезарядки конденсатора, через микЛабораторная работа № роамперметр пройдёт заряд Q, величина которого определяется площаОпределение ёмкости конденсатора и батареи конденсаторов дью (рис. 2), ограниченной кривой тока разряда конденсатора i(t) и осью времени t.

Цель работы: определение ёмкости конденсатора и батареи из двух конденсаторов при их параллельном и последовательном соединении.

i Приборы и материалы: лабораторный модуль, источник питания ИП, стрелочный микроамперметр.

Q Электрическая схема лабораторного модуля изображена на его передней панели (рис. 1). Внутри лабораторного модуля на печатной плате смонтированы: поляризационное реле типа РПС–32А, а также два конденсатора. Конденсаторы подключаются к источнику питания с помощью гибких выводов со штекерами. К гнездам «РА» подключается микроамперметр. Один из гибких выводов подключён через поляризаI ционное реле, а второй – непосредственно к источнику тока. Переменное питание на реле подается через тумблер «РПС» и кнопку «К» с нормально разомкнутыми контактами. t T В первую половину периода замыкаются контакты реле, через которое подается напряжение на гибкие выводы, и конденсатор заряжаетРис. ся. Контакты, в цепь которых включен микроамперметр, разомкнуты.

Во вторую половину периода размыкаются контакты реле, через кото 9 В то же время Q можно определить через площадь, ограниченную Примечание. Напряжение источника питания не должно препрямой I=const и осью времени t в пределах периода перезарядки кон- вышать значения, при котором ток при параллельно соединённых денсатора. Здесь I – среднее значение тока, которое показывает микро- конденсаторах не более 200 мкА!!! амперметр. Обе площади, выделенные на рис. 2, равны, следовательно, можно записать U, В I, C С1 С2 Спос Спар T I, мкА Q = t = IT. (1) i(t)d С, мкФ Напряжение U, заряд конденсатора Q и ёмкость конденсатора С I, мкА … связаны известным соотношением С, мкФ Q = CU. (2) I, мкА Приравнивая (1) и (2), а также учитывая соотношение = 1/Т, где С, мкФ – частота перезарядки конденсатора, равная частоте питания поляризационного реле 50 Гц, получим формулу для расчёта ёмкости конденОбработка результатов измерений саторов или их соединений I 1. По формуле (3) рассчитать емкости конденсаторов С1 и С2 и их C =. (3) соединений. Результаты расчета занести в таблицу.





U 2. Рассчитать абсолютную и относительную погрешности определения одной из ёмкостей.

Порядок выполнения работы 1. Подсоединить к гнездам «РА» микроамперметр.

Контрольные вопросы 2. Подключить к лабораторному модулю источник питания ИП.

3. Включить в сеть лабораторный модуль и источник питания. 1. От каких параметров зависит ёмкость конденсатора 4. Включить тумблер «РПС» на лицевой панели модуля. 2. Изложить суть метода определения ёмкости конденсатора по5. Установить на источнике питания ИП напряжение, равное 5– средством измерения тока разрядки.

10 В. 3. Какой физический смысл имеет площадь, ограниченная кривой 6. С помощью гибких выводов на панели лабораторного модуля графика i = i(t) подсоединить конденсатор емкостью С1 к гнёздам 1 и 2 (рис. 1). 4. Вывести формулы для электроёмкости последовательно и па7. Нажав и удерживая кнопку «К» в течение 3–4 с, измерить раллельно соединённых конденсаторов.

среднее значение тока разряда конденсатора С1.

8. Присоединить гибкие выводы к конденсатору С2 (гнезда 2 и 3) Литература и измерить его ток разряда.

1. Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1970.

9. Присоединить гибкие выводы к гнездам 1 и 3 и измерить ток 2. Руководство к лабораторным занятиям по физике / Под ред.

разряда последовательно соединенных конденсаторов С1, С2.

Л.Л. Гольдина. М.: Наука, 1973.

10. Закоротить гнезда 3 и 4 перемычкой, подсоединить гибкие вы3. Савельев И.В. Курс общей физики. М.: Наука, 1973. Т. 2.

воды к гнездам 1 и 2 и измерить ток разряда параллельно соединенных конденсаторов С1 и С2.

11. Результаты измерений занести в таблицу.

12. Повторить пункты 1–6, изменяя напряжение на источнике ИП в диапазоне 5–10 В с шагом в 1 В.

11 Лабораторная работа № 3 Величина, численно равная суммарной работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении единичного Изучение обобщённого закона Ома положительного заряда по участку цепи, называется напряжением U на и измерение электродвижущей силы методом компенсации этом участке цепи и равна U1-2 = (1 – 2) + Ei, Цель работы: изучение зависимости разности потенциалов на учагде знак ЭДС принимается положительным, если направление обхода от стке цепи, содержащем ЭДС, от силы тока; расчёт ЭДС и полного сопроточки 1 к точке 2 (рис. 1) соответствует перемещению внутри источника тивления этого участка.

Приборы и материалы: лабораторный модуль, источники пита- Ei от знака «–» (катод) к знаку «+» (анод). В противном случае – отриния ИП1 и ИП2, два цифровых мультиметра марки М–92А, используе- цательным.

мых в качестве вольтметра и миллиамперметра. Таким образом, на рис. 2 E1 будет отрицательной, а E2 – положи- тельной.

Для того чтобы поддерживать движение электрических зарядов в E1 Eтечение некоторого длительного времени, необходимо, кроме электриче1 ского поля, наличие в цепи сторонних полей. Сторонние поля действуют на носители тока внутри источников электрической энергии (гальванических элементов, аккумуляторов, электрических генераторов и т. п.).

- + + Для электрического и стороннего полей вводятся силовая и энерРис. гетическая характеристики. Силовыми характеристиками являются век Если использовать определение напряжения U = IRп, где I – сила торы напряжённости Eэл и Eстор. Направление вектора напряжённости тока в цепи, Rп – полное сопротивление участка, включающее внутренполя совпадает с направлением соответствующей силы, действующей нее сопротивление источника ЭДС на этом участке, то закон Ома прина положительный заряд. Величина напряжённости численно равна отнимает вид ношению силы к величине заряда:

IRп = (1 – 2) + Ei. (1) Fэл Fстор Выражение (1) называют обобщённым законом Ома или законом Eэл =, Eстор =.

Ома для неоднородного участка цепи.

q q Участок цепи, в пределах которого не действуют сторонние силы, Энергетической характеристикой электростатического поля являназывается однородным, напряжение на нём равно U1-2 = 1 – 2, т. е.

ется разность потенциалов 1 – 2, стороннего поля – электродвижущая напряжение совпадает с разностью потенциалов. За направление элексила E. Величина разности потенциалов равна отношению работы силы трического тока принимают направление перемещения положительных электростатического поля Аэл при перемещении малого точечного зарязарядов. Произведение IRп берётся положительным, если направление да q из первой точки участка цепи во вторую к величине перемещаемого тока совпадает с направлением обхода контура.

заряда, величина ЭДС – аналогична отношению работы силы стороннего поля Астор к величине q:

I Aстор E r Aэл 1 – 2 =, E =.

q q Между силовыми и энергетическими характеристиками электроR + статического и стороннего полей имеются сходные интегральные соотношения rв 2 V 1 – 2 = Eэл dl, E = Eстор dl.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.