Работа № 5 Демонстрационный эксперимент при изучении электростатики

Цель работы:

• Знакомство с содержанием и методикой изложения темы “Электростатика” курса физики 10 класса.

• Овладение техникой и методикой проведения основных демонстраций по теме.

• Изучение основных приборов, которые используются при проведении демонстраций по данной теме.

При подготовке к работе следует:

• изучить основное содержание темы по учебнику, проанализировать поурочное планирование;

• познакомиться с экспериментом, предлагаемом в учебнике;

Перед выполнение работы необходимо знать:

• понятие электризации тел;

• особенности взаимодействия зарядов

• явление электростатической индукции.

• вид электрических полей зарядов и их систем.

• понятие электрического поля.

• понятие потенциала и разности потенциалов.

• понятие электроемкости проводника.

• формулу расчёта электроемкости плоского конденсатора.

• устройство и принцип действия электрометра.

• обязательные демонстрации до данной теме и уметь определять их дидактическою задачу

Темой «Электростатика» начинается раздел «Основы электродинамики» курса физики 10 класса. В ней вводится такие фундаментальные понятия как заряд, потенциал, разность потенциалов, электроемкость, энергия электростатического поля,

Глубокое усвоение учащимися этих понятий возможно лишь с помощью тщательно поставленной системы демонстрационного эксперимента. Демонстрационные опыты по электростатике осуществляются на простой аппаратуре. Техника их выполнения не сложна, однако демонстрации по электростатике имеют ряд особенностей. Эффект многих опытов зависит от состояния воздуха в помещении и состояния изолирующих частей приборов.

На качество демонстраций вредное влияние оказывает большая влажность в помещении, наличие большого количества углекислого газа, табачного дыма, а также работа различных ионизаторов ( высоковольтный кондуктор, электрофорная машина и др.).

Многие детали приборов по электростатике выполнены из изоляционных материалов, обладающих гигроскопичностью ( стекло, дерево, бумага ) поэтому они увлажняются и поверхностное сопротивление этих диэлектриков понижается кроме того от прикосновения рук экспериментаторов на поверхности приборов наносятся жир, влага, также ухудшаются изоляционные качества приборов.

Для успешного проведения демонстрации по электростатике необходимо выполнить следующие условия:

1. Перед прохождением темы следует все изоляторы приборов тщательно промыть в воде с мылом и высушить.

2. Перед проведением опытов классное помещение должно быть тщательно проветрено ( независимо от того, дождливая или сухая погода в этот день ).

3. Непосредственно перед опытом необходимо просушивать приборы, для этого в кабинете физики удобно иметь специальный сушильный шкаф-ящик затянутый металлической сеткой, внутри которого поставлено несколько электрических ламп. Для подсушки электроскопов, электрометров и электрофорной машины желательно использовать отражательную печь.

4. На палочках для электризации на одном конце следует сделать отметку, чтобы при проведении опытов брать руками палочку за один конец.

5. Руки экспериментатора должны быть чистыми и сухими.

6. В ряде опытов необходимо заземление: для заземления можно пользоваться водопроводной сетью. Несколько худший результат получается при использовании для этой цели металлических труб отопительной системы.

О пыт 1. Взаимодействие наэлектризованных тел

Оборудование: «Разряд-1», источник постоянного напряжения, «султаны» на изолированных штативах, провода соединительные.

Соберите установку по рисунку. Подключите султаны к разным полюсам преобразователя, отведите их на большое расстояние. Поставьте напряжение выхода 25 кВ, подключите питание к «Разряду» (12 В), включите его кнопкой «пуск». Опишите полученный результат опыта и сделайте вывод.

Медленно приближайте султаны друг к другу, следите за изменением картины. Сделайте вывод.

Опыт 2. Демонстрация спектров электрических полей

О борудование: «ФОС-115» собранная для демонстрации горизонтальных объектов, чашка для демонстрации спектров электрических полей, преобразователь высоковольтный «Разряд», источник постоянного напряжения, провода соединительные.

Для демонстрации спектров электрических полей в чашку с плоским прозрачным дном налейте касторовое или подсолнечное масло, в котором равномерно размешайте небольшое количество манной крупы. Выводы чашки подсоединните к высоковольтному преобразователю «Разряд-1» (напряжение выхода 5 кВ).

Включите ФОС, получите резкое изображение крупинок манки на экране. В чашку помещайте электроды различной конфигурации. При сообщении электродам, находящимся в кювете с маслом, больших потенциалов, крупинки манки приходят в движение и выстраиваются вдоль силовых линий электрического поля.

П олучите и спроектируйте на экран спектры электрических полей:

а) положительно заряженного шарика;

б) двух разноименно заряженных шариков;

в) двух одноименно заряженных шариков;

г) двух разноименно заряженных пластин.

На основе спектров изобразите электрические поля с помощью силовых линий:

О пыт 3. Электростатическая защита

С оберите установку из прошлого опыта для демонстрации поля двух разноименно заряженных пластин. Между пластинами расположите медное кольцо. Включите «Разряд-1», пронаблюдайте за крупинками манки, находящимися вне области, ограниченной кольцом, и за крупинками манки, находящимися внутри кольца. Зарисуйте картину силовых линий. Отключите преобразователь, замените медное кольцо кольцом, изготовленным из диэлектрика. Включите «Разряд-1», пронаблюдайте за крупинками манки, находящимися вне области, ограниченной кольцом, и за крупинками манки, находящимися внутри кольца. Зарисуйте картину силовых линий. Сделайте вывод:

Опыт 4. Электрометр. Эквипотенциальные поверхности

О борудование: электрометр демонстрационный; шаровой и конусообразный кондукторы на изолирующих штативах; палочка для электризации с куском меха; шарик пробный на изолирующей ручке; два проводника: один длиной 1,5—2 м гибкий, другой — для заземления электрометра.

Зарядите конусообразный кондуктор от высоковольтного преобразователя «Разряд». Соедините пробный шарик длинным гибким проводником со стержнем электрометра, а корпус последнего заземлите. Коснитесь шариком заряженного проводника и перемещайте его по всей поверхности (наружной и внутренней). Наблюдайте за показаниями электрометра.

Вывод:

Опыт 5. Введение понятия об электроемкости

О борудование: электрометры — 2 шт.; кондукторы шаровые — большой и малый; диск от разборного конденсатора; столик из комплекта демонстрационных динамометров; высоковольтный выпрямитель; пробный шарик на изолирующей ручке.

На электрометры наденьте шаровые кондукторы: на один — большой, а на другой — малый. Корпуса электрометров заземлите. При этом шар, стержень и стрелка электрометра образуют одну из обкладок конденсатора, а изолированный от них корпус электрометра и земля — другую.

От высоковольтного преобразователя пробным шариком перенесите одинако­вые заряды на шаровые кондукторы. Для этого достаточно по нескольку раз пробным шариком коснуться шарика на преобразователе и каждый раз вносить его внутрь шаров, касаясь их внутренней поверхности. Заряжать лучше сначала большой шар, а затем малый.

Результаты и вывод:

Понятие электроемкости системы проводников можно ввести по установке, состоящей из электрометра, 2 пластин. Пробный шарик заряжать от «Разряда».

Расстояние между пластинами подберите так, чтобы φ₁ –φ₂ было 1 дел. при передаче заряда 2q.

В таблицу введите показания электрометра при передаче заряда 2q, 4q , 6 q

Q	2q	4q	6q
φ1 –φ2 дел.

Вывод:

Опыт 6. Электроемкость плоского конденсатора

Оборудование: конденсатор разборный; штативы изолирующие; электрометр; палочка эбонитовая или стеклянная с куском меха; штатив универсальный; провода соединительные; линейка или метр демонстрационный.

Этот опыт должен служить экспериментальным обоснованием формулы плоского конденсатора:

где S — площадь одной из пластин, l — расстояние между пласти­нами (толщина диэлектрика), ε — диэлектрическая проницаемость диэлектрика, заполняющего пространство между пластинами, ε₀— электрическая постоянная.

Соберите установку по рисунку. На изолирующих шта­тивах с помощью уравнительных винтов установите пластины конденсатора параллельно друг другу и раздвиньте на расстояние 2-3 см. К пластинам присоедините электрометр.

Наэлектризованной палочкой (или с помощью высоковольтного преобразователя) зарядите пластину, соединенную со стержнем электрометра и не меняя расстояния между пластинами, сдвиньте одну из них в сторону, уменьшив площадь перекрытия пластин. Отметьте характер изменения показаний электрометра.

Сделайте вывод о характере зависимости электроемкости плоского конденсатора от площади пластин:

Верните пластину в прежнее состояния и увеличивайте расстояние между пластинами, не меняя площади перекрытия. Отметьте характер изменения показаний электрометра. Сделайте вывод о характере зависимости электроемкости плоского конденсатора от расстояния между пластинами:

Оставив расстояние между пластинами неизменным, вносите в промежуток между ними диэлектрики с различными диэлектрическими проницаемостями, например пластины из ор­ганического стекла или эбонита. Отметьте характер изменения показаний электрометра. Сделайте вывод о характере зависимости электроемкости плоского конденсатора от диэлектрической проницаемости диэлектрика между пластинами.

Вывод:

Окончательный вывод (формула плоского конденсатора)