metod_lab_el-magn

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Физическому практикуму при изучении физики электрических и магнитных явлений отводится важное место. Будучи неотъемлемой частью соответствующего курса физики, практикум наглядно иллюстрирует изучаемые явления, учит понимать роль эксперимента, получать количественные результаты и делать качественные выводы. Практикум способствует выработке навыков самостоятельной постановки и проведения экспериментов, работы с экспериментальным оборудованием.

В настоящем пособии представлены двадцать две лабораторные работы по электричеству и магнетизму как в типовой постановке, так и оригинальные. Каждая из работ содержит теоретическое введение, описание экспериментальной установки, методики проведения эксперимента, обработки и анализа полученных результатов, контрольные вопросы. Почти все работы включают элементы научного исследования при их выполнении. Большое количество работ, включенных в пособие, дает возможность преподавателям варьировать их подбор в соответствии с содержанием программы курса.

При подготовке пособия использованы некоторые материалы известных лабораторных практикумов по физике [3,6,8,9], а также учебная литература [2,4,7], которая рекомендуется студентам при выполнении лабораторных работ.

4

ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Для выполнения каждой лабораторной работы по электричеству необходимо знать назначение и область применения электроизмерительных приборов, уметь пользоваться ими, включать приборы в электрическую схему, определять значения измеряемых величин, их погрешности, а также уметь учитывать влияние прибора на измеряемую величину.

Действие электроизмерительных приборов основано на превращении электрической энергии в другие виды энергии, например механическую, тепловую, магнитную и т. д. Они могут служить как для обнаружения какойлибо величины (нуль-индикаторы), так и для ее количественной оценки (вольтметры, амперметры и т.д.).

Назначение прибора обычно указано на его лицевой стороне (например, миллиамперметр или mA). Имеются универсальные многоцелевые приборы – мультиметры, служащие для измерения различных электрических величин: силы постоянного и переменного тока, напряжения, сопротивления и др.

Большинство электроизмерительных приборов являются многопредельными, что позволяет использовать их для измерения как малых, так и больших значений соответствующих величин. Переключение пределов осуществляется при помощи специальных клемм либо при помощи переключателей. Во избежание порчи прибора его включают в максимальном диапазоне измерений и определяют измеряемую величину сначала грубо, после чего переходят на тот диапазон, верхний предел которого ближе всего к значению измеряемой величины, но в то же время больше ее. Измерения в этом диапазоне будут иметь меньшую относительную погрешность.

Ценой деления называется значение измеряемой величины, соответствующее отклонению стрелки или светового указателя на одно деление. Для определения цены деления необходимо поделить предельное значение, соответствующее данному положению переключателя, на число делений шкалы,

5

определяемое последней значащей цифрой. Показание прибора, снимаемое во время измерения, будет равно произведению цены деления прибора на число делений, соответствующее отклонению стрелки или светового указателя.

Определение погрешности измерения. Важной характеристикой прибо-

ра является класс точности, который указывается на шкале: 0.1; 0.2 ; 0.5 и

т. д. Это так называемая приведенная погрешность прибора ε n . Она выража-

ется отношением абсолютной погрешности прибора α к максимальному значению измеряемой величины α0 , указанной на шкале прибора. Таким об-

разом, класс точности равен: К.Т. = Dα ×100 . Отсюда можно определить

α0

значение абсолютной погрешности α . Пусть, например, мы имеем вольт-

метр класса точности 0.5 с пределом измерения U0 = 15В. При измерении напряжения показания вольтметра – U = 5В. Нужно определить относительную и абсолютную погрешности. С помощью вышеприведенной формулы можно найти абсолютную погрешности:

DU = U0 × К.Т. = 15В × 0,5 = 0,075В 100 100

Тогда относительная погрешность составит:

DU = 0.075 = = 0,015 1,5%

Как видно из результатов измерений относительная погрешность оказалась в три раза больше приведенной. Это произошло потому, что измеряемая величина в три раза меньше предела измерения. Если переключить предел измерения на 7.5В, то относительная ошибка уменьшится в два раза.

Влияние прибора на измеряемую величину. Влияние прибора на изме-

ряемую величину зависит от его собственных параметров: сопротивления, индуктивности, емкости и т.д. От этих же параметров зависит и область при-

6

менения прибора. Обычно эти параметры указаны на лицевой стороне прибора.

Рис. 1

10 − 20Ом собрана схема (рис 1.а). С помощью вольтметра измеряется на-

пряжение на сопротивлении R . Амперметр же показывает суммарный ток

RV велико по сравнению с измеряемым, тогда вторым слагаемым можно пренебречь, в противном случае пренебрегать им нельзя.

Выгоднее производить измерения по схеме рис. 1б. В этом случае име-

приборе. Для определения R его нужно вычесть из полученного отношения.

7

Электрическое поле. Постоянный электрический ток.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы: Изучение характеристик электрического поля, экспериментальное нахождение эквипотенциальных линий, использование их для нахождения напряженности поля и построения силовых линий.

Приборы и принадлежности: источник тока, набор электродов различной формы, зонд, реостат, проводящая бумага, вольтметр.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

Электрическое поле создаваемое системой неподвижных электриче-

ских зарядов, называется электростатическим полем.

Силовой характеристикой поля служит векторная физическая величина

действующей на единичный, положительный точечный заряд q , помещен-

ный в данную точку поля:

q

Линиями напряженности E (силовыми линиями) называются линии, проведенные в поле так, что касательные к ним в каждой точке совпадают с

вектором напряженности поля E . Линии напряженности не пересекаются,

так как в каждой точке поля вектор E имеет только одно определенное направление. Они начинаются и оканчиваются на зарядах или уходят в бесконечность.

8

Электростатическое поле в каждой точке характеризуется также потен-

циалом ϕ . Напряженность E и потенциал ϕ связаны между собой следую-

щим выражением

Точки поля, имеющие одинаковый потенциал, образуют поверхность равного потенциала (эквипотенциальную поверхность).

Эквипотенциальные поверхности, также как и силовые линии дают наглядное представление о пространственном распределении электростатического поля. Пересекаясь с некоторой плоскостью, эквипотенциальные поверхности образуют эквипотенциальные линии. Изображая эквипотенциальные линии, соответствующие различным значениям потенциалов, мы получаем наглядное представление о том, как изменяется потенциал в данной плоскости.

Перемещение заряда вдоль эквипотенциальной поверхности не требует работы. Это значит, что сила, действующая на заряд, все время перпендикулярна к перемещению. Отсюда мы заключаем, что линии напряженности всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Как известно, в однородном проводнике при прохождении по нему постоянного электрического тока нет объемных зарядов. Это означает, что линии напряженности электростатического поля совпадают с линиями тока. Таким образом, можно уподобить изучение электростатического поля между системой заряженных проводников изучению электростатического поля тока между той же системой проводников. На этом в данной работе и основан метод экспериментального исследования электрических полей.

Если имеется какое-либо двумерное электрическое поле и нужно на опыте определить его эквипотенциальные линии, то изготавливают металлические модели электродов, создающих подобное поле, и помещают их в среду, проводимость которой много меньше проводимости материала электродов. В качестве проводящей среды можно использовать, например, лист про-

9

водящей бумаги с однородной проводимостью. На электроды подают напряжение. Для измерения потенциала в различных точках листа, в них помещают небольшой проводник-зонд. С помощью такого зонда можно определить форму и расположение эквипотенциальных линий электрического поля между данными электродами.

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Схема установки приведена на рис.1. На диэлектрическую панель помещают лист миллиметровой бумаги, поверх нее лист копировальной бумаги, затем – лист электропроводящей бумаги A, к которой прижаты два электрода B и C . Реостат служит для изменения напряжения между электродами.

A

D

Напряжение от источника питания подается на электрод B и клемму реостата R . Зонд D подключается к подвижному контакту реостата R и к электроду C . При помощи вольтметра V измеряется напряжение между зондом D и электродом C .

Потенциал зонда равен потенциалу той точки поверхности электропроводящей бумаги, которой он касается. Совокупность точек, для которых потенциал одинаков, и есть изображение эквипотенциальной линии. Вольтметр измеряет разность потенциалов между одним из электродов и зондом (точкой на электропроводящей бумаге, которой касается зонд). Для построения эквипотенциальной линии необходимо найти 7 - 8 точек с одинаковым потенциалом. Нахождение точек осуществляется путем перемещения зонда по элек-

10

тропроводящей бумаге. Для построения модели электростатического поля необходимо определить положение 5 – 7 линий.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ ЕГО РЕЗУЛЬТАТОВ

Соберите установку, электрическая схема которой изображена на рис.1. С помощью реостата установите такое напряжение, подаваемое на электроды, чтобы стрелка вольтметра не выходила за пределы шкалы при наибольшем значении измеряемого напряжения.

Упражнение 1. Постройте эквипотенциальные линии для трех систем электродов: точечные электроды на расстоянии 20-22 см (рис.2а); точечный и плоский электроды на расстоянии 15-17 см (рис.2б); цилиндрические электроды (рис. 2в).

Для построения линии перемещайте зонд так, чтобы показание вольтметра соответствовало заданному значению. При этом фиксируйте положение зонда на миллиметровой бумаге в 7 – 8 точках. Выполните данную процедуру для каждого из значений разности потенциалов между электродом и зондом, с шагом в 1 В. По полученным точкам проведите эквипотенциальные линии. Около каждой линии напишите значение потенциала, которому она соответствует.

Упражнение 2. Постройте линии напряженности электрических полей для данных систем электродов и укажите направление вектора напряженности.