Электричество и магнетизм Методические указания к лабораторным работам по физике

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ДЕПАРТАМЕНТ НАУЧНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОЛИТИКИ И ОБРАЗОВАНИЯ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ЧЕЛЯБИНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра физики

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Методические указания к лабораторным работам по физике

для бакалавров

Челябинск

2007

Методические указания к лабораторным работам по элек- тричеству и магнетизму предназначены для бакалавров, обучаю- щихся на третьем курсе.

Составители

Басарыгина Е.М. – докт. техн. наук, профессор (ЧГАУ) Нарушевич В.П. – канд. техн. наук, доцент (ЧГАУ) Никишин Ю.А. – канд. физ.-мат. наук, доцент (ЧГАУ) Гулявцев В.Н. – канд. физ.-мат. наук, доцент (ЧГАУ) Соколов И.Б. – канд. техн. наук, доцент (ЧГАУ) Тамбовцев В.С. – ст. преподаватель (ЧГАУ)

Рецензенты

Буторин В.А. – докт. техн. наук, профессор (ЧГАУ) Подзерко В.Ф. - канд. техн. наук, доцент (ЮУРГУ)

Ответственный за выпуск

Басарыгина Е.М. – зав. кафедрой физики (ЧГАУ)

Печатается по решению редакционно-издательского совета ЧГАУ.

© ФГОУ ВПО «Челябинский государственный агроинже- нерный университет», 2007.

2

Лабораторная работа №1

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы: определить основные количественные харак- теристики электрического поля (напряженность и потенциал);

научиться графически изображать электрические поля. Оборудование: установка, вольтметр, микроамперметр, ис-

точник тока.

Установка (рисунок 1.1) состоит из ванны 1 с подкисленной водой, двух электродов (Э1 и Э2), источника тока 2, делителя на- пряжения 3, вольтметра 4, зонда 5 и микроамперметра 6. На дне ванны 1 нанесена координатная сетка. Электроды могут иметь различную форму. Некоторые несущественные отличия реальной схемы от рисунка 1.1 обусловлены тем, что питание реальной схемы осуществляется переменным током.

Электрическое поле – особый вид материи, являющейся ма- териальным носителем взаимодействия электрических зарядов. На пробный заряд + q, помещенный в поле, оно действует с си- лой F. Величина, равная силе, с которой поле действует на еди- ничный положительный точечный заряд, называется напряжен- ностью поля в данной точке пространства:

ложительный скаляр.

Графически электрическое поле можно изобразить с помо- щью линий напряженности (силовых линий), которые проводятся так, чтобы касательная к ним в каждой точке совпадала с направ- лением вектора E , а число линий, пересекающих единицу площа- ди поверхности, перпендикулярной линиям, было равно модулю вектора E . По картине силовых линий можно определить вели- чину и направление вектора E в каждой точке поля.

3

где i, j, k - орты координатных осей.

Электрическое поле графически можно изображать не толь- ко силовыми линиями, но и с помощью эквипотенциальных по- верхностей, которые легко построить с помощью установки (ри- сунок 1.1). Действительно, ток через микроамперметр 6 равен ну- лю, если потенциал точки С равен потенциалу точки D. Потенци- ал точки С задается передвижением ползунка реостата 3 и изме- ряется вольтметром 4. Передвигая зонд 5, можно найти коорди- наты множества точек электрического поля (например, точки D), имеющих потенциал, равный потенциалу точки С. По измерен- ным координатам легко построить эквипотенциальную поверх- ность. Задавая реостатом 3 значения потенциала от 1 до 5 В, мож- но в масштабе построить семейство эквипотенциальных поверх- ностей. Измерив кратчайшее расстояние между соседними экви-

где Δφ — разность потенциалов между соседними эквипотенци- альными поверхностями; l - кратчайшее расстояние между ни- ми.

Силовые линии поля проводят перпендикулярно эквипотен- циальным поверхностям.

Порядок выполнения работы

1 Изобразить в тетради координатную сетку с нанесением электродов.

2 После проверки схемы включить установку.

3 При помощи зонда 5 найти точку с заданным потенциа- лом (например, 2 В).

4 Перемещая зонд 5 вдоль электродов Э1 и Э2, найти пять…семь точек с таким же потенциалом и отметить их на ко- ординатной сетке.

5 Повторить п. 3,4 для других потенциалов (с шагом 0,5 В). 6 Заместить один из электродов металлическим кольцом и

провести измерения по п. 3 – 5.

7 Построить чертежи, изображающие семейство эквипотен-

5

циальных поверхностей.

8 Рассчитать по формуле 1.4 модуль вектора E для различ- ных точек поля и провести силовые линии поля.

9 Сделать вывод об однородности поля.

Контрольные вопросы

1 Что называется электрическим полем?

2 Чем обусловлено появление заряда при электризации тел?

3 Что называется напряженностью поля?

4 Что называется потенциалом точки и разностью потен- циалов двух точек?

5 Как связаны между собой напряженность и потенциал?

6 Что называется эквипотенциальной поверхностью?

7 Доказать, что вектор напряженности перпендикулярен эк- випотенциальной поверхности.

8 Что такое силовые линии? Каковы правила их построе-

ния?

Лабораторная работа № 2

ИЗМЕРЕНИЕ ЕМКОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Цель работы: ознакомиться с одним из методов определе-

ния емкости конденсатора.

Оборудование: гальванометр, источник постоянного тока, вольтметр, ключ, переключатель, конденсаторы (известной и не- известной емкости), потенциометр.

Электроемкость – характеристика проводника, количествен- ная мера его способности удерживать электрический заряд. За- ряженный (уединенный от других тел) проводник обладает элек- трическим потенциалом, одинаковым в каждой точке. Потенциал уединенного проводника пропорционален его заряду. Увеличение заряда проводника в несколько раз повышает потенциал во столько же раз. Таким образом, для уединенного проводника от- ношение заряда проводника к его потенциалу не зависит от заряда.

Это позволяет ввести понятие электроемкости уединенного

6

проводника, которая равна отношению заряда к потенциалу про-

Электроемкость, связывая между собой потенциал провод- ника и его заряд, от них не зависит. Она является характеристи- кой самого проводника и зависит от его формы и размеров, а также от электрических свойств среды, в которую помещен про- водник. Если вблизи проводника находятся другие тела, то поля их зарядов (собственные или индуцированные) изменяют потен- циал, следовательно, и емкость проводника. Таким образом, по- нятие электроемкости относится также к системе проводников, в частности, к системе двух проводников, разделенных тонким слоем диэлектрика – электрическому конденсатору.

Электроемкость конденсатора практически не зависит от на- личия окружающих тел и может достигать очень большой вели- чины при малых геометрических размерах конденсаторов.

Электроемкость конденсатора определяется формулой

ϕ1 − ϕ2

где Q – заряд конденсатора; φ1 – φ2 - разность потенциалов между обкладками, в однородной цепи, где не действует ЭДС, равна на- пряжению U.

Емкость конденсатора можно измерить различными метода- ми. В данной работе в основу измерения емкости положено соот- ношение между зарядом, его емкостью и напряжением на об- кладках конденсатора:

Если применить соотношение (2.3) к двум конденсаторам, заряженным до одной и той же разности потенциалов, то полу- чим

Отсюда видим, что если емкость одного конденсатора из- вестна, то измерение другой емкости сводится к сравнению их зарядов. Для выполнения работы соберите электрическую цепь

7

по схеме, изображенной на рисунке 2.1. Если переключатель SA переброшен в положение 1, то при замкнутом ключе SA конден- сатор заряжается до разности потенциалов, измеренной вольт- метром V.

Рисунок 2.1 – Электрическая схема установки

Если переключатель переброшен в положение 2, то заряд, накопившийся на обкладках конденсатора С, протекает через гальванометр.

Протекающий через гальванометр ток вызовет отклонение его стрелки. Если это отклонение велико (стрелка уходит за пре- делы шкалы), нужно уменьшить напряжение, подаваемое на кон- денсатор, с помощью потенциометра R.

Число делений n (максимальное отклонение стрелки гальва- нометра) пропорционально величине заряда, прошедшего через гальванометр:

где В - постоянная гальванометра.

Конденсаторы (эталонный и неизвестной емкости) последо-

8

вательно заряжаются до одного и того же напряжения и разря- жаются через гальванометр. Соответственно величины зарядов этих конденсаторов рассчитываются по формулам

где СЭ - емкость эталонного конденсатора; СX - емкость конден- сатора, которую требуется найти.

Порядок выполнения работы

1 Определение емкости неизвестного конденсатора.

1.1Собрать цепь по схеме (рисунок 2.1).

1.2Включить в цепь конденсатор известной емкости СЭ = 4

мкФ.

1.3Потенциометром установить напряжение по вольтметру.

1.4Поставить ключ SA в положение 1, тем самым зарядить конденсатор.

1.5Перекинуть ключ SA в положение 2, конденсатор разря- дится через гальванометр: записать максимальное отклонение стрелки по шкале nЭ.

1.6Выбранное напряжение следует поддерживать неизмен- ным при измерениях известной и неизвестной емкостей конден- саторов в пределах одного опыта.

1.7Заменить в электрической цепи эталонный конденсатор конденсатором неизвестной емкости.

1.8Поставить переключатель в положение 1.

1.9Перекинуть переключатель в положение 2 и разрядить конденсатор неизвестной емкости через гальванометр, записать максимальное отклонение стрелки по шкале nX.

1.10По формуле (2.7) вычислить СX.

1.11Измерения провести пять раз при разных напряжениях с учетом п.1.6.

1.12По ниже приведенным формулам найти среднее значе- ние емкости <СX> исследуемого конденсатора, отклонения от

9

среднего Сi , среднее значение отклонений от среднего <ΔСX> и относительную погрешность

5

∑CXI

в формулах 2.8, 2.9 и 2.10 – i - номер опыта.

Cx

1.13Записать интервал, в котором находится истинное зна-

чение искомой величины:

следовательно, а затем параллельно. Измерить емкость батареи, как описано в разделе 1 «Определение емкости неизвестного конденсатора». При последовательном соединении определение nЭ и nБ производить при напряжении 5 В, а при параллельном –

10