Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження електростатичних полів методом зонда"
Скачати 195.21 Kb.
|
 МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИКРЕМЕНЧУЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ МИХАЙЛА ОСТРОГРАДСЬКОГО  МЕТОДИЧНІ ВКАЗІВКИ ЩОДО ВИКОНАННЯ ЛАБОРАТОРНОЇ РОБОТИ З НАВЧАЛЬНОЇ ДИСЦИПЛІНИ “ФІЗИКА” “ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИХ ПОЛІВ МЕТОДОМ ЗОНДА” (РОЗДІЛ “ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ”) ДЛЯ СТУДЕНТІВ ТЕХНІЧНИХ СПЕЦІАЛЬНОСТЕЙ ДЕННОЇ ТА ЗАОЧНОЇ ФОРМ НАВЧАННЯ КРЕМНЧУК 2011 Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження електростатичних полів методом зонда” ( розділ “Електрика і магнетизм”) для студентів технічних спеціальностей денної та заочної форм навчання. Укладачі: старш. викл. В.І.Скобель, старш. викл. Н.І. Мотрій , доц. О.В. Сукачов. Рецензент доц. Ю.Г. Мичковський Кафедра фізики Затверджено методичною радою КНУ імені Михайла Остроградського Протокол №____ від «____» ____________ 2011р. Заступник голови методичної ради __________________ доц. С. А. Сергієнко ВСТУП Дані методичні вказівки розроблені з метою допомогти студентам у комплексному засвоєні певної теми курсу фізики. З цією метою перш за все наведено досить розгорнуті теоретичні відомості з даної теми курсу. Ефективне засвоєння теоретичних відомостей неможливе без набуття практичних навичок засвоєних при розв’язанні задач. Для цього розглянуто достатню кількість прикладів розв’язання задач, а також задачі для самостійної роботи, що дозволяє студентам контролювати якість засвоєння учбового матеріалу. Фізика є експериментальна наука. Тому невід’ємним елементом курсу фізики є лабораторний практикум. В методичних вказівках детально описано принципові основи того експериментального методу, який застосовується в даній роботі, на основі чого студент зможе зрозуміти зміст своїх дій при виконанні лабораторної роботи. Значна увага приділяється також правильній обробці результатів вимірювань. Обробка даних сучасного фізичного експерименту базується на широкому використанні комп’ютерів. Тому в методичних вказівках наведено інструкцію щодо оформлення звіту про виконання лабораторної роботи із застосуванням табличного редактора Excel для Windows. ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 1 ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНИХ ПОЛІВ МЕТОДОМ ЗОНДА ^ еквіпотенціальних поверхонь і ліній напруженості полів міжелектродами різної форми.технічне обладнанняКювета з електролітом, випрямляч ВС 4-12, реостат на 5000 Ом, нуль- гальванометр, набір електродів, щуп, з'єднувальні провідники. ^ Електричні заряди взаємодіють між собою за допомогою електричного поля. Це поле виявляє себе в тому, що вміщений в яку-небудь його точку електричний заряд опиняється під дією сили. Силовою характеристикою електричного поля є його напруженість, тобто величина, що вимірюється відношенням сили, діючої на позитивний заряд, що перебуває в даній точці поля, до величини цього заряду  Вимірюється напруженість поля у В/м. Напруженість поля точкового заряду  в точці, віддаленій від заряду на відстань  , Напруженість поля системи зарядів підлягає дії принципу суперпозиції, тобто результуюча напруженість дорівнює векторній сумі напруженостей полів, яку створював би кожний із зарядів системи окремо,  .Лінією напруженості електричного поля (силовою лінією) є лінія, дотична до якої в кожній точці збігається з напрямком вектора напруженості. Щільність ліній вибирається так, щоб кількість ліній, що пронизують одиницю поверхні, перпендикулярної до ліній площини креслення, дорівнювала числовому значенню вектора напруженості. За своїм характером електричні поля можуть бути двох видів: потенціальними і вихровими. Характер поля визначається відмінністю від нуля або рівністю нулю циркуляції вектора напруженості поля. Циркуляція вектора напруженості поля за довільно вибраним замкнутим контуром  - це величина, що вимірюється відношенням роботи сил поля, яке виконується при переміщенні заряду за замкнутим контуром, до величини цього заряду. Робота, що виконується силами поля нерухомих зарядів при переміщенні заряду Q за замкнутим контуром  , може бути виражена через циркуляцію вектора напруженості а також через різницю потенціалів точок поля, між якими переміщається заряд  При перемещенні заряду за замкнутим контуром  , й робота сил поля A=0, отже, циркуляція вектора напруженості поля нерухомих зарядів за довільно вибраним замкненим контуром дорівнює нулю .Для розрахунку електростатичних полів, що створюються зарядженими провідниками різної форми, застосовується теорема Гауса: потік вектора напруженості поля нерухомих зарядів через довільно вибрану замкнену поверхню дорівнює алґебраїчній сумі зарядів, що охоплюються поверхнею, поділеною на 0  Застосування теореми Ґаусса для розрахунку напруженості поля нескінченної площини з поверхневою густиною заряду  дає наступний результат: Для двох паралельних нескінченних поверхонь з поверхневою густиною заряду   ,для сферичної поверхні радіусом R0 у точках, віддалених від центра поверхні на відстані r>R0,  для нескінченної нитки (циліндра) з лінійною густиною заряду на відстані r від нитки  .Заряд, вміщений в електричне поле, володіє потенційною енергією. Потенціал точки поля вимірюється відношенням потенціальної енергії до величини заряду:  . Потенціал поля, що створюється системою зарядів, дорівнює алґебраїчній сумі потенціалів, що створюються кожним зарядом нарізно,  .Між потенціалом і напруженістю електричного поля існує залежність  .^ Для графічного зображення полів, а також для їх експериментального дослідження, поряд з лініями напруженості можна користуватися еквіпотенціальними поверхнями, тобто уявними поверхнями, усі точки яких мають однаковий потенціал. Напрямок нормалі до еквіпотенціальної поверхні буде збігатися з напрямом вектора напруженості в тій самій точці (рис. 1). Щоб упевнитися в цьому, проведемо в деякій точці дотичну  до поверхні. При зміщенні вздовж на нескінченно малу величину dp потенціал не змінюється, оскільки d/dp дорівнює нулю. Та d/dp дорівнює проекції вектора  на напрям р (згідно з формулою ). Отже, тангенціальна складова  дорівнює нулю, звідки випливає, що вектор направлений нормально до поверхні. Н  а рис. 2 пунктиром показані еквіпотенціальні поверхні (вірніше, їх перетин з площею креслення) і суцільними лініями - лінії напруженості для поля точкового заряду. Відповідно до характеру зміни напруженості  еквіпотенціальні поверхні при наближенні до заряду показані більш конкретно. Для дослідження електростатичних полів у даній роботі застосовується установка, схема якої наведена на рис. 3. Установка складається з наступних вузлів: кювети з електролітом, на дні якої нанесена координатна сітка; джерела постійного струму ВС 4-12; нуль-гальванометра; реостата і щупа з електродом, вміщеним у електроліт. На кюветі укріплені тримачі для змінних електродів.  Розподіл потенціалів досліджують методом зондів. Суть методу полягає в тому, що в точку досліджуваного поля вводиться спеціальний електрод - зонд (щуп), виготовлений так, щоб він мінімально порушував поле, що досліджується. Зонд сполучається провідником з вимірювальним приладом. Оскільки опір електрода порівняно великий, між електродами проходить слабкий струм, і розподіл потенціалів у електроліті є тотожним до розподілу потенціалів між тими самими електродами, між якими є електростатичне поле у вакуумі або в однорідному діелектрику. Помістивши щуп у будь-яку точку поля, переміщенням ручки реостата можна добитися того, що струм через гальванометр йти не буде. Зміщуючи щуп по кюветі (при даному положенні движка реостата), можна знайти інші точки з таким самим потенціалом, для яких струм через гальванометр також буде дорівнювати нулю. Нанісши ці точки за їх координатами на розмічений аркуш паперу і з'єднавши їх плавною лінією, можна отримати еквіпотенціальну лінію. ^ 1. Скласти електричне коло за схемою, наведеною на рис. 3. Закріпити електроди, вказані викладачем, у тримачах. 2. На двох аркушах паперу в клітинку нанести вісі координат аналогічно розмітці на дні кювети. На одному з аркушів зобразити електроди відповідно до їх положення та форми. 3. Увімкнувши джерело струму, встановити щуп вертикально поблизу одного з електродів. За допомогою реостата встановити стрілку гальванометра на нуль. Координати щупа відмітити точкою на розміченому аркуші. 4. При тому самому положенні движка реостата переміщують щуп по кюветі й знаходять ще 10-12 точок, для яких струм через гальванометр дорівнює нулю. Нанести ці точки на аркуші паперу. З'єднавши отримані точки плавною пунктирною лінією, отримують першу еквіпотенціальну лінію. 5. Переміщуючи щуп між електродами, знайти першу точку другої еквіпотенціальної лінії за допомогою реостата, інші точки - переміщенням щупа по кюветі. Побудувати другу еквіпотенціальну криву. 6. Аналогічно будують третю еквіпотенціальну лінію поблизу іншого електрода. 7. Суцільними лініями зобразити на аркуші паперу лінії напруженості, пам'ятаючи, що вони завжди перпендикулярні еквіпотенціальним лініям і поверхням електродів. 8. Вимкнувши джерело струму, замінити електроди на інші, зобразити їх на другому аркуші й повторити для цієї пари електродів вимірювання, описані в пп. 4-7. Вимкнути джерело струму і зняти електроди з тримачів. ^ Назва і номер лабораторної роботи, робоча схема, зображення двох електростатичних полів за допомогою еквіпотенціальних ліній і ліній напруженості. ^
^ Приклад № 1.1 Два точкові електричні заряди Q1=1нКл і Q2=-2нКл знаходяться в повітрі на відстані d=10 см один від одного. Знайти напруженість  і потенціал поля, створюваного цими зарядами в точці А, віддаленій від заряду Q1 на відстань r1=9см і від заряду Q2 на r2=7 см.. Q  1=1 нКл=10 10 КлQ2=-2 нКл=-20 10 Клd=10 см=0.1 м r1=9 см=0.09 м r2=7 см=0, 07 м Визначити:  -? -? Розв’язання Згідно з принципом суперпозиції електричних полів, кожний заряд створює поле незалежно від наявності в просторі інших зарядів. Тому напруженість електричного поля в заданій точці визначається як геометрична сума напруженостей  і  полів, створюванних кожним зарядом окремо: .Напруженість електричного поля, створюваного в повітрі (=1) зарядами Q1 і Q2:  ;  .Вектор  (див. рис.1.1) направлений по силовій лінії від заряду Q1, оскільки цей заряд позитивний; вектор  направлений також по силовій лінії, але до заряду Q2, оскільки цей заряд негативний.Модуль вектора знайдемо за теоремою косинусів: ,де -кут між векторами і , який визначається із трикутника зі сторонами r1 , r2 і d. .У даному випадку. щоб уникнути громіздких записів зручно, значення cos обчислити окремо:  .Підставляючи Е1 і Е2, знайдемо:  .Згідно з принципом суперпозиції електричних полів потенціал результуючого поля, створеного двома зарядами Q1 і Q2 . дорівнює алґебраїчній сумі потенціалів: = 1+2. Потенціал електричного поля, створеного у вакуумі точковим зарядом Q на відстані r від нього. виражається формулою:  .У цьому випадку:  Виконаємо обчислення:   Приклад № 1.2 Електричне поле створене двома нескінченними зарядженими площинами з поверхневими густинами зарядів: 1=0,4 мкКл/м і 2=0,1 мкКл/м. Знайти напруженість електричного поля, створеного цими зарядженими площинами.    1=0,4 мкКл/м  =0,410 Кл/м 2=0,1 мкКл/м =0,110 Кл/м Визначити: -?Розв’язання Згідно із принципом суперпозиції, поля, створені кожною зарядженою площиною окремо, накладаються одне на одне, причому кожна заряджена площина створює електричне поле незалежно від наявності другої зарядженої площини. Напруженості однорідних електричних полів, створюваних першою та другою площинами, відповідно дорівнюють:   Площини розділяють увесь простір на три області:, , . Як видно із рис.1.2, у першій і третій областях електричні силові лінії направлені в один бік, отже, напруженості сумарних полів E  і E у першій і третій областях однакові і дорівнюють сумі напруженостей полів, створюваних першою і другою площинами: або  У другій області (між площинами) електричні силові лінії направлені у протилежних напрямках і, отже, напруженість поля Е  дорівнює різниці напруженостей полів, створюваних першою і другою площинами. , або  Після підстановки даних і виконуючи обчислення, одержимо:   Приклад № 1.3 Електричне поле створене довгим циліндром радіусом R=1 см, рівномірно зарядженим, з лінійною густиною =20 нКл/м. Знайти різницю потенціалів двох точок, які знаходяться на відстані а1=0,5 см і а2=2 см від поверхні циліндра, в середній його частині. R |
=1см =0,01 м 
изначити: Δ -? 
,
або 
і 
від осі циліндра:
=10 нКл=1010
=10
м
Електричне поле створюється безкінчено довгим циліндром радіусом 
=7мм=710
м
=5мм=510
=10см=0,1м 
.
, звідки 
лектричне поле створено тонкою, некінченно довгою ниткою, рівномірно зарядженою, з лінійною густиною 
=20 см=0,2 м + 
до поверхні площадки dS.
cos dS.
Схожі:
 | Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " дослідження дифракції світла на вузькій щілині " Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дифракції світла на вузькій щілині”... | | Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "дослідження дисперсії світла у склі за допомогою гоніометра" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Дослідження дисперсії світла у склі за допомогою... |
| Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " " визначення роботи виходу електрона" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення роботи виходу електрона” ( розділ... | | Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення магнітних властивостей феромагнетиків" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення магнітних властивостей феромагнетиків”... |
| Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Вивчення електричних властивостей сегнетоелектриків... | | Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення ємності конденсатора мостовою схемою" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика “ “Визначення ємності конденсатора мостовою... |
| Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення показника заломлення рідини рефрактометром" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення показника заломлення рідини рефрактометром”... | | Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення радіуса кривини лінзи за кільцями ньютона" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення радіуса кривини лінзи за кільцями... |
| Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни " фізика " "визначення кута повороту площини поляризації світла" Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення кута повороту площини поляризації... | | Міністерство освіти І науки, молоді та спорту україни Методичні вказівки щодо виконання лабораторної роботи з навчальної дисципліни “Фізика” “Визначення питомого заряду електрона методом... |