Главная

Популярная публикация

Научная публикация

Случайная публикация

Обратная связь

ТОР 5 статей:

Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия

Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века

Ценовые и неценовые факторы

Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка

Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы

КАТЕГОРИИ:






ЭКСПЕРИМЕНТ 2. Исследование поля диполя




Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины второго заряда диполя (q3) й зафиксируйте значение заряда, указанное в таблице 2 для вашей бригады, изменив знак на противоположный. Переместите заряд q3 так, чтобы электрический момент диполя был вертикальным, а плечо диполя (L=r13) было равно 10 см.

Перемещайте мышью второй заряд по оси диполя, удерживая левую кнопку мыши. На расстояниях r до оси диполя; указанных в таблице 1, из­мерьте и занесите значения E1=(F12/q2) (L/r12) в табл.3.

 

Таблица 3. Результаты измерений:

r(см)=                  
1/r3-3                  
E1, В/м                  
E2, В/м                  
E3, В/м                  
E4, В/м                  

 

Повторите измерения для трех других знамений зарядов q1(и q 3) из табл.2, записывая в табл.3 значения Е2, Е3 и Е4.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

1. Вычислите и запишите в таблицы 1 и 3 значения для второй строки.

2. Постройте на одном листе графики зависимости напряженности ЭП (Е) точечного заряда от квадрата обратного расстояния (1/r2)

 

 

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

3.По тангенсу угла наклона графиков определите электрическую постоянную, используя формулу для каждого графика первого чертежа.

 

4. Вычислите среднее значение электрической постоянной:

 

 

5. Постройте на втором листе графики зависимости напряженности ЭП (Е) на оси диполя от куба обратного расстояния (1/r3).

 

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

 

6..По тангенсу угла наклона графиков определите электрическую постоянную, используя формулу для каждого графика второго чертежа (для больших расстояний г):

 

 

7. Вычислите среднее значение электрической постоянной и оцените погрешность результата:

 

ОТВЕТ: По результатам измерений и асчётов получено значение __________________, равное

 

(±)

ВЫВОД ПО ОТВЕТУ: полученное экспериментально значение величины__________________,

равное с точностью до ошибки измерений, составляющей, совпадает (не совпадает) с табличным (теоретическим) значением данной величины, равным

 

Вопросы и задания для самоконтроля

1. Что такое электрическое поле (ЭП)?

2. Назовите источники ЭП.

3. Перечислите и разъясните основные свойства заряда.

4. Какая сила действует между зарядами?

5. Дайте определение линии напряженности ЭП. Зачем их рисуют?

6. Запишите закон Кулона.

7. Запишите формулу для напряженности поля точечного заряда.

8. Сформулируйте принцип суперпозиции для ЭП.

9. Дайте определение потока ЭП.

10.Сформулируйте и запишите закон Гаусса для ЭП.

11 Что такое электрический диполь?

12.Запишите и разъясните формулу дипольного (электрического) момента,

13.Сформулируйте и запишите формулу для ЭП на оси диполя.

14.Что такое магнитный момент витка с током?

15.Какую форму имеет линия поля, проходящая через центр диполя?

16.Что такое потенциал ЭП и для чего он используется?

17. Что такое градиент?

 

ЛИТЕРАТУРА

 

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М: Высшая школа, 2001, Гл. 11,§77-80.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000, Гл 13

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.2

ТЕОРЕМА ОСТРОГРАДСКОГО-ГАУССА ДЛЯ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕ­СКОГО ПОЛЯ В ВАКУУМЕ

(«Электричество и магнетизм», «Электрическое поле точечных заря­дов»)

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с графическим моделированием электростатических по­лей.

• Экспериментальная проверка теоремы Остроградского-Гаусса.

• Экспериментальное определение величины электрической постоян­ной.

 

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

НАПРЯЖЁННОСТЬ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ в данной точ­ке есть векторная физическая величина, равная отношению силы Fдейст­вующей со стороны поля на неподвижный точечный заряд q0, помещённый в данную точку поля, к величине этого заряда:

ЛИНИЯМИ НАПРЯЖЁННОСТИ (силовыми линиями) называются линии, проведённые в поле так, что касательные к ним в каждой точке совпа­дают по направлению с вектором напряжённости. Линии напряжённости проводят так, что они начинаются на положительных зарядах и оканчивают­ся на отрицательных или уходят в бесконечность. (Рис. 1)

 

 

 

Рис 1. Линии напряжённости двух точечных зарядов: а) разноимённых; б) одноимённых

 

ПРИНЦИП СУПEРПОЗИЦИИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ: на­пряжённость электростатического поля систем точечных зарядов равна век­торной сумме напряжённостей полей каждого из этих зарядов в отдельности:

ПОТОК ВЕКТОРА НАПРЯЖЁННОСТИ.

Силовая линия, определяя направление вектора напряжённости, сама по себе не определяет величину модуля вектора напряжённости. Введём условие, связывающее величину модуля вектора напряжённости с числом про­водимых линий напряженности через единицу площади. Для этого выделим в электростатическом поле малую область, в пределах которой электростати­ческое поле мощно считать однородным. Проведём в этой области элемен­тарную площадку dS0, перпендикулярную к линиям напряжённости. Усло­вимся через эту площадку проводить такое число dФлиний напряжённости, чтобы число линий, приходящихся на единицу поверхности площадки dS0равнялось величине модуля вектора напряжённости в области этой площад­ки, т.е. потребуем выполнения условия:

(1)

При выполнении этого условия графического изображения электростатиче­ских полей численное значение вектора напряжённости будет связано с гус­тотой линий напряжённости. Тогда число линий напряжённости пронизы­вающих элементарную площадку dS, нормаль п которой образует угол α с вектором E; равно

(2)

где величина d Ф называется потоком вектора напряжённости через площадку dS

Число линий напряжённости Ф, пронизывающих некоторую поверх­ность S, назовём потоком вектор напряжённости через эту поверхность. Для произвольной замкнутой поверхности S поток вектора Е сквозь эту поверхность будет равен

(3)

Для замкнутой поверхности принято считать положительным направление нормали к элементу поверхности, выходящее из объёма, ограничиваемого поверхностью. Тогда линии напряжённости, выходящие из объёма, создадут положительный поток Ф+, линии, входящие в объём, создадут отрицатель­ный поток Ф- а результирующий поток будет равен алгебраической сумме этих потоков

ТЕОРЕМА ОСТРОГ?АДСКОГО-Г АУССА: поток вектора напряжён­ности электростатического поля в вакууме через произвольную замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключённых внутри этой поверх­ности зарядов, делённой на ε0

(4)

 

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

Рис. 2

Как известно, электростатическое поле в вакууме изотропное. Следова­тельно, количество силовых линий, пересекающих произвольную замкнутую поверхность, содержащую внутри себя электрические заряды, будет пропорционально количеству силовых линий, пересекающих замкнутый контур, ограничивающий площадь сечения, в которой находятся электрические заделы этой замкнутой поверхности.

Такое допущение даёт возможность привести в количественное соот­ветствие реальное трёхмерное электростатическое поле с его графической интерпретацией в плоской компьютерной модели, которая показана на рис. 2. Для этого определим число силовых линий Ф, которые фактически должны пересекать произвольную замкнутую поверхность, внутри которой находится электрический заряд q= 1мкКл. По теореме Остроградского-Гаусса имеем:

Откройте окно опыта. В нижнем правом прямоугольнике «Конфигурация» щёлкните мышью на кнопке «Один заряд». Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины заряда и установите значение q1= +1 мкКл. Под­считайте число силовых линий; выходящих иззаряда. Их должно быть 6. Следовательно, силовая линия в плоской компьютерной модели опыта соот­ветствует

(5)

линиям реального трёхмерного кулоновского поля. На основании таких до­пущений и оценок создаётся возможность экспериментальной проверки тео­ремы Остроградского-Гаусса с помощью графического компьютерного мо­делирования электростатических полей в данной лабораторной, работе.

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. (Постоянное пространственное распределение пе­ременного заряда внутри замкнутой поверхности)

1. В нижнем правом прямоугольнике «Конфигурация» нажмите мышью кнопку «Два заряда».

2. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора первого заряда до уста­новления значения, указанного в табл.! для вашей бригады.

 

Таблица 1. Установочные значения физических параметров для проведения экспериментов

Бригады                
Эксперимент 1
q1,мкКл -1 -2 -3 -4 -5 -4 -3 -2
d,м                
Эксперимент 2
q1,мкКл -5 -5 -5 -5 -5 -4 -4 -4
q2, мкКл +1 +2 +3 +4 +5 +4 +3 +2

 

3. Аналогичным образом установите заданное в табл.1 расстояние d между зарядами.

4. Установите мышью на кнопке «Силовые линии» флажок.

5. Установите величину второго заряда 0 и подсчитайте число силовых линий Ф+ выходящих и Ф- входящих через границы замкнутого контура, которым в нашем опыте будет являться прямоугольная рамка окна опыта. При этом внимательно смотрите за направлением стрелок на силовых линиях поля. За­пишите эти данные и разность Ф = Ф+ - Ф- в таблицу 2.

 

Таблица 2. Результаты измерений в эксперименте 1

 

q1= ___ мкКл, d= ___ м

 

q2=0 мкКл q2=+1 мкКл q2=+2 мкКл q2=+3 мкКл q2=+4 мкКл q2=+5 мкКл
Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф
                                   

 

6. Последовательно установите заряды: q2= +1, +2, +3, +4,+5мкКл, и выполните п.5 ещё 5 раз.

 

ЭКСПЕРИМЕНТ 2. (Переменное пространственное распределение по­стоянного заряда внутри заткнутой поверхности)

  1. Установите значения q1и q 2 соответствующие значениям, указанным в таблице 1 для вашей бригады.
  2. Установите также минимальное расстояние между зарядами d = 2м и на экране окна эксперимента, подсчетом определите числа Ф+, Ф- и Ф.
  3. Последовательно увеличивай расстояние между зарядами с шагом 0,5м, выполните п. 2 ещё 6 раз.
  4. Результаты измерений запишите в табл. 3.

Таблица 3. Результаты измерений в эксперименте 2

 

q2= _____ мкКл q1= _____ мкКл

 

d=2 м d=3 м d=3,5 м d=4 м d=4,5 м d=5 м
Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф Ф- Ф+ Ф
                                   

ОБРАБОТКА РЕЗУЛ ЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА:

  1. Постройте по данным табл.2 график зависимости потока вектора напря­жённости Ф от величины заряда q=(q1+q2)

 

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

 

  1. По котангенсу угла наклона графика и используя формулы (4) и (5), определите электрическую постоянную ε0.

 

 

  1. Оцените погрешность полученного результата:

 

ОТВЕТ: По результатам измерений и расчётов получено значение __________________, равное

(±)·10

 

 

ВЫВОД ПО ОТВЕТУ: полученное экспериментально значение величины__________________,

равное с точностью до ошибки измерений, составляющей, совпадает (не совпадает) с табличным (теоретическим) значением данной величины, равным 8,85∙10 -12 Ф/м.

 

  1. По данным, приведённым в табл.3, постройте график зависимости потока вектора напряжённости Ф от расстояния между зарядами d.

 

 

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

 

Вопросы и задания для самоконтроля

  1. Какие поля называют электростатическими?
  2. Что такое напряжённость электростатического поля?
  3. Как определяется направление вектора напряжённости?
  4. Что такое поток вектора напряжённости?
  5. Какая линия называется силовой? Почему они не могу пересекаться?
  6. Какая линия называется эквипотенциальной
  7. Докажите, что эквипотенциальные и силовые линии ортогональны.
  8. От чего зависит густота силовых и эквипотенциальных линий?
  9. В чём заключается физический смысл теоремы Остроградского-Гаусса?

10. Рассчитайте, используя теорему О-Г,

а) поле равномерно заряженной бесконечной плоскости;

б) поле двух бесконечных параллельных разноимённо заряженных плоскостей;

в) поле равномерно заряженной сферической поверхности;

г) поле объёмно заряженного шара;

д) поле равномерно заряженного бесконечного цилиндра (нити);

  1. Каким образом теорема ОГ и следствия из неё могут быть косвенным подтверждением справедливости закона Кулона?

 

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М: Высшая школа, 2001, Гл.! 1,§81,82.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М: Высшая школа, 2000, Гл.14,§14.1,14.2

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3.5

ЗАКОН ОМА ДЛЯ НЕОДНООДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ

(«Электричество и магнетизм», «Цепи постоянного тока»)

 

ЦЕЛЬ РАБОТЫ:

• Знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока.

• Экспериментальное подтверждение закона Ома для неоднородного участка цепи.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ (СИЛЫ) ТОКА:

ЗАКОН ОМА ДЛЯ УЧАСТКА ЦЕПИ: величина (сила) тока, текущего ПО однородному (в смысле отсутствия сторонних сил) металлическому про­воднику, пропорциональна падению напряжения U на проводнике , где R - сопротивление проводника.

РЕЗИСТОРОМ называется устройство, обладающее заданным посто­янным сопротивлением.

РЕОСТАТОМ называется переменное сопротивление.

НАПРЯЖЕНИЕМ НА УЧАСТКЕ ЦЕПИ 1-2 называется физическая величина, определяемая выражением

ЗАКОН ОМА ДЛЯ НЕОДНОРОДНОГО УЧАСТКА ЦЕПИ:

, где φ1 и φ2 - потенциалы концов участка, Е12 - э.д.с, действующая на данном участке цепи.

Применяя закон Ома для неоднородного участка цепи, необходимо помнить о правиле выбора знаков: произведение IR следует брать со знаком «+», если направление обхода совпадает с направлением тока на этом участке, э.д.с. Е12 будет иметь знак «+», если её направление (от минуса к плюсу) совпадает с направлением обхода. При этом надо иметь в виду, что вольтметр, под­ключенный к концам любого участка цепи, будет показывать разность потенциалов между точками подключения прибора, а направление отклонения стрелкиприбора будет определяться параметрами внешней цепи.

Таким образом, закон Ома для полной цепи можно записать в виде

I(R+r) = ±V+ Е12 (1)

Из формулы (1) видно, что при 1 = 0 вольтметр покажет э.д.с. источника, включенного в данный участок цепи.

 

МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ:

В данной лабораторной работе изучается модель электрической цепи, содержащей на одном из своих участков источник электродвижущей си­лы (э.д.с.). На этом участке, в зависимости от соотношений между пара­метрами цепи, разность потенциалов между его крайними точками мо­жет менять знак, переходя через 0.

 

 

Рис.1.

ИЗМЕРЕНИЯ:

 

6.Соберите на экране опыта замкнутую цепь, показанную на рис. 1.

Для этого сначала щелкните левой кнопкой мыши на кнопке э.д.с. в нижней части экрана. Переместите маркер мыши на рабочую часть экрана, где расположены точки. Щелкните левой кнопкой мыши в рабочей части эк­рана, где должен быть расположен источник э.д.с.

7. Разместите далее последовательно с источником резисторы, выполняющие функции его внутреннего сопротивления r и сопротивления неоднородного участка R1 (нажав предварительно кнопку в нижней части экрана), и амперметр (кнопка там же). Затем расположите резистор нагрузки (реостат) и последовательно соединенный с ним амперметр. Над участком пени расположите вольтметр , измеряющий разность потенциалов на этом неоднородном участке цепи.

8. Соедините все указанные приборы в замкнутую цепь. Для этого нажмите кнопку соединительного провода внизу экрана, после чего перемести­те маркер мыши в рабочую зону схемы. Щелкайте левой кнопкой мыши в необходимых местах рабочей зоны и сформируйте замкнутую цепь, показан­ную на рис. 1.

9. Установите заданные значения параметров для каждого прибора цепи. Для этого щелкните левой кнопкой мыши на кнопке со стрелкой . За­тем щелкните на данном приборе. Подведите маркер мыши к движку появившегося регулятора, нажмите на левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, установите значения R1, r, Е, которые указаны в таблице 1 для вашей бригады.

 

Таблица 1. Значения ЭДС, внутреннего сопротивления источника r и R1

Бригада                
Е1, В 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 8,0
Е2, В - 2,5 - 3,5 - 4,0 - 3,5 - 3,0 - 4,5 - 5,0 - 5,5
r, Ом 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,4
R1, Ом 8,0 7,5 7,0 6,5 8,5 9,0 9,5 10,0

 

10. Установите сопротивление реостата R = 1 Ом. Измерьте значения тока и разности потенциалов (щелкнув мышью по кнопке «Счет») и запишите их в таблицу 2.

 

Таблица 2. Результаты измерений

№ измерения E1= R1= r = E1= E2= R1= r =
R (Ом) U (В) I (А) R (Ом) U (В) I (А)
             
             
             
             
             
             
             
             
             
             

 

11. Увеличивая сопротивление реостата К каждый раз на Юм, повторите из­мерения силы тока и разности потенциалов по п.5 и заполните таблицу 2.

12. Включите в схему второй источник питания, как показано на рис.2, и ус­тановите значение Е2, соответствующее номеру вашей бригады.

 

 

Рис.2

 

13.Проведите на второй схеме (рис.2) все измерения п.п. 5,6.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЁТА:

1. На одном графике покажите зависимость показаний вольтметра (ось ординат) от силы тока для первой и второй схем (ось абсцисс).

 

Вывод по графику: Полученный экспериментально график зависимости _________________ от ___________________________ имеет вид _________________________________________ и качественно __________________ с теоретической зависимостью данных характеристик, имеющей вид

 

 

2.Экстраполируя оба графика до пересечения с осью ординат, определите по формуле (1) экспериментально установленное значение э.д.с. 1) источника тока, включённого в неоднородный участок цепи, и сравните его с установочным значением.

3. По тангенсу наклона прямой к оси I определите полное сопротивление участка для двух схем и сравните его значение с установочным значением.

4. Рассчитайте погрешности измерений и запишите окончательный результат.

ОТВЕТ: По результатам измерений и расчётов получены значения __________________, равные

Е = (±) В

R = (±) Ом

 

ВЫВОД ПО ОТВЕТУ: полученные экспериментально значения величин___________, равные ________ и _________с точностью до ошибок измерений, составляющих и, совпадают (не совпадают) с установленными значениями данных величин, равными и

Вопросы и задания для самоконтроля

 

1. Дайте определения понятий: разность потенциалов, э.д.с, источника тока, напряжение на участке цепи.

2. Что называется сторонней силой? Какова её природа?

3. Укажите правильное выражение закона Ома для неоднородного уча­стка цепи, показанного на рисунке:

1) ;2) ;3) ; 4) ; 5)

2. Выведите Закон Ома в дифференциальной форме.

3. Что называется удельным сопротивлением проводника? От чего оно зависит?

4. Сформулируйте правила Кирхгофа для разветвлённых цепей.

5. Выведите формулы сопротивлений батарей последовательно и парал­лельно соединённых резисторов.

6. Сформулируйте закон Ома для полной цепи.

7. Объясните принцип действия экспериментальной установки. В чём принципиальная разница первого и второго варианта схем?

ЛИТЕРАТУРА

1. Трофимова Т.И. Курс физики. М: Высшая школа, 2001, Гл.! 1,§81,82.

2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М: Высшая школа, 2000, Гл.19,§19.1,19.2






Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:

vikidalka.ru - 2015-2024 год. Все права принадлежат их авторам! Нарушение авторских прав | Нарушение персональных данных