Проведение измерений.

Далее при выполнении заданий для упрощения формулировки приняты следующие обозначения:

Заряд 1, Заряд 2, Заряд 3 и Заряд 4 - соответственно Q1, Q2, Q3 и Q4;

X-координата - X;

Y-координата - Y;

Перепишите ваш вариант задания в тетрадь и приступайте к выполнению пункта “Порядок выполнения задания 1”.

Задание 1. В поле двух точечных зарядов Q1 и Q2, закрепленных на оси X в точках X1 и X2, определите на оси X (Y=0) координату X3 заряда Q3, при которой он будет находиться в равновесии. Исследуйте, будет ли равновесие заряда Q3 устойчивым.

Величина и координаты зарядов указаны ниже:

Вариант № 1

Q₁ = 10000 нКл; X₁ = -1;

Q₂ = -2500 нКл; X₂ = 1;

Q₃ = 100 нКл; положение равновесия при X₃ > X₂.

Вариант № 2

Q₁ = 9000 нКл; X₁ = -1;

Q₂ = -1000 нКл; X₂ = 1;

Q₃ = -100 нКл; положение равновесия при X₃ > X₂.

Вариант № 3

Q₁ = 8000 нКл; X₁ = -1,5;

Q₂ = -500 нКл; X₂ = 1,5;

Q₃ = 100 нКл; положение равновесия при X₃ > X₂.

Вариант № 4

Q₁ = -2000 нКл; X₁ = -1;

Q₂ = 8000 нКл; X₂ = 1;

Q₃ = -200 нКл; положение равновесия при X₃ < X₁.

Вариант № 5

Q₁ = -900 нКл; X₁ = -1;

Q₂ = 8100 нКл; X₂ = 1;

Q₃ = 200 нКл; положение равновесия при X₃ < X₁.

Вариант № 6

Q₁ = -500 нКл; X₁ = -1,5;

Q₂ = 8000 нКл; X₂ = 1,5;

Q₃ = -100 нКл; положение равновесия при X₃ < X₁.

Вариант № 7

Q₁ = 2500 нКл; X₁ = 0;

Q₂ = 10000 нКл; X₂ = 3;

Q₃ = 100 нКл; положение равновесия при X₁ < X₃ < X₂.

Вариант № 8

Q₁ = 1000 нКл; X₁ = 0;

Q₂ = 9000 нКл; X₂ = 4;

Q₃ = -100 нКл; положение равновесия при X₁ < X₃ < X₂.

Вариант № 9

Q₁ = 2000 нКл; X₁ = 0;

Q₂ = 8000 нКл; X₂ = 3;

Q₃ = 100 нКл; положение равновесия при X₁ < X₃ < X₂.

Вариант № 10

Q₁ = 10000 нКл; X₁ = -3;

Q₂ = 2500 нКл; X₂ = 0;

Q₃ = -100 нКл; положение равновесия при X₁ < X₃ < X₂.

Вариант № 11

Q₁ = 9000 нКл; X₁ = -4;

Q₂ = 1000 нКл; X₂ = 0;

Q₃ = 100 нКл; положение равновесия при X₁ < X₃ < X₂.

Вариант № 12

Q₁ = 8000 нКл; X₁ = -3;

Q₂ = 2000 нКл; X₂ = 0;

Q₃ = -100 нКл; положение равновесия при X₁ < X₃ < X₂.

Порядок выполнения задания 1:

Перед вами на экране монитора должны быть три заряда (красный Q₁, синий Q₂ и светло-зеленый Q₃) и в левом нижнем углу в текстовом окне настоящее описание лабораторной работы, которое должно находиться постоянно в поле зрения во время выполнения заданий. Если по каким-либо причинам заряды отсутствуют, то с помощью кнопок панели инструментов поместите их на экран.

"Включите" измерительную сетку, которая обеспечит вам необходимую точность при начальной установке зарядов.

Теперь для реализации условий задания, соответствующих вашему варианту, необходимо провести следующие действия.

1. С помощью левой кнопки мыши перетащите красный заряд Q₁ в точку X₁, синий заряд Q₂ - в точку X₂ и светло-зеленый заряд Q₃ - в область, указанную в вашем варианте.

Следует помнить, что это предварительная, грубая установка зарядов, а поэтому необходимо перейти к следующей - точной.

2. Для точной установки зарядов необходимо провести следующие действия.

а) Начните с закрепленного красного заряда Q₁. Для этого в окне "Параметры зарядов" с помощью маленьких кнопок со стрелками переключателя "вверх-вниз" установите справа от слов "Заряд" номер заряда "1". В последующих нижних полях с помощью аналогичных переключателей установите точные значения Q₁, X₁. Остальные поля, кроме массы заряда (ее не изменяйте), должны содержать нули. Особое внимание обратите на то, чтобы Y-координата как первого, так и остальных зарядов была равна нулю. Если она отлична от нуля, то с помощью соответствующего переключателя обязательно установите ее нулевое значение.

б) Поставьте в окошке переключателя "Заряд" цифру "2", соответствующую закрепленному синему заряду Q₂. Установите точные значения Q₂, X₂ в соответствующих полях и нулевое значение Y-координаты синего заряда, не изменяя его массы.

в) Наконец, в окошке переключателя "Заряд" поставьте цифру 3, соответствующую заряду Q₃. Установите точное значения Q₃, значение X₃ поставьте любое в указанной в задании области, а Y-координату светло-зеленого заряда обязательно установите в ноль, не изменяя его массы.

Теперь откройте пункт "Сила Кулона" в ниспадающем меню "Вид" (это можно сделать также, щелкнув мышью по кнопке F на панели инструментов). Вы увидите на зарядах желтые стрелки. Стрелка указывает направление силы, действующей на заряд, а в появившемся окне "Сила Кулона" приводится значение величины этой силы для заряда Q₃.

3. Итак, теперь параметры всех трех зарядов соответствуют вашему варианту задания, и вы можете проводить измерения. Кроме трех зарядов с желтыми стрелками, перед вами должны находиться три раскрытых окна: окно "Описание лабораторной работы", окно "Параметры зарядов" с параметрами зеленого заряда Q₃ и окно "Сила Кулона" со значением силы, действующей на заряд Q₃.

Как вам известно из курса лекций, заряд Q₃ будет находиться в равновесии в том случае, если сумма сил, действующих на него со стороны закрепленных зарядов Q₁ и Q₂, будет равна нулю.

Следовательно, вам необходимо медленно перемещать светло-зеленый заряд Q₃ и следить за тем, как изменяется направление желтой стрелки, соответствующей силе Кулона, действующей на него со стороны закрепленных зарядов Q₁ и Q₂. Точка, где стрелка исчезнет (т.е. равнодействующая будет равна нулю), и будет положением равновесия заряда Q₃. Если стрелка изменит направление на противоположное, это будет означать, что заряд, пройдя через положение равновесия, оказался от него по другую сторону.

Поэтому для точного определения значения координаты X₃, соответствующей положению равновесия заряда Q₃, необходимы следующие ваши действия:

а) в окне "Параметры зарядов" с помощью маленьких кнопок со стрелками переключателя "вверх-вниз" справа от слов "X-Координата" непрерывно изменяйте X₃ и следите за перемещением заряда Q₃ в указанной в задании области. Если направление желтой стрелки изменится на противоположное или стрелка на светло-зеленом заряде исчезнет, зафиксируйте эту узкую область значений X₃;

б) в узкой области значений X₃, где направление силы Кулона меняет знак, определите точное значение X₃, соответствующее положению равновесия. Для этого единичными щелчками левой кнопки мыши, когда курсор находится на маленьких кнопках переключателя "вверх-вниз" "X-Координата", найдите такое значение, при котором у светло-зеленого заряда отсутствует желтая стрелка и в окне "Сила Кулона" имеется минимальное (близкое к нулю) значение силы, действующей на заряд Q₃. Это значение X-Координаты в окне "Параметры зарядов" и есть искомое значение X₃. Запишите его в лабораторную тетрадь как результат измерения X₃;

в) исследуйте, устойчиво ли найденное положение равновесия. Равновесие называется устойчивым, если при смещении заряда от положения равновесия возникают силы, возвращающие его в положение равновесия.

Результат своего исследования занесите в лабораторную тетрадь.

Перепишите ваш вариант следующего задания в тетрадь и приступайте к выполнению пункта “Порядок выполнения задания 2”.

Задание 2. Три одинаковых заряда Q₁ = Q₂ = Q₃ расположены в вершинах равностороннего треугольника. Определите, какой заряд Q₄ противоположного знака нужно поместить в центре треугольника, чтобы его притяжение уравновесило силы взаимного отталкивания зарядов, находящихся в вершинах. Исследуйте, будет ли равновесие системы зарядов устойчивым.

Величина и координаты зарядов указаны ниже:

Вариант № 1

Q₁ = 7800 нКл; X₁ = -1; Y₁ = 0;

Q₂ = 7800 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 1,73;

Q₃ = 7800 нКл; X₃ = 1; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 0,58;

Вариант № 2

Q₁ = 5200 нКл; X₁ = -1; Y₁ = 0;

Q₂ = 5200 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 1,73;

Q₃ = 5200 нКл; X₃ = 1; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 0,58;

Вариант № 3

Q₁ = 2600 нКл; X₁ = -1; Y₁ = 0;

Q₂ = 2600 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 1,73;

Q₃ = 2600 нКл; X₃ = 1; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 0,57;

Вариант № 4

Q₁ = 7800 нКл; X₁ = -2; Y₁ = 0;

Q₂ = 7800 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 3,46;

Q₃ = 7800 нКл; X₃ = 2; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 1,15;

Вариант № 5

Q₁ = 5200 нКл; X₁ = -2; Y₁ = 0;

Q₂ = 5200 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 3,46;

Q₃ = 5200 нКл; X₃ = 2; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 1,15;

Вариант № 6

Q₁ = 2600 нКл; X₁ = -2; Y₁ = 0;

Q₂ = 2600 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 3,46;

Q₃ = 2600 нКл; X₃ = 2; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 1,15;

Вариант № 7

Q₁ = -7800 нКл; X₁ = -1; Y₁ = 0;

Q₂ = -7800 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 1,73;

Q₃ = -7800 нКл; X₃ = 1; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 0,58;

Вариант № 8

Q₁ = -5200 нКл; X₁ = -1; Y₁ = 0;

Q₂ = -5200 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 1,73;

Q₃ = -5200 нКл; X₃ = 1; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 0,58;

Вариант № 9

Q₁ = -2600 нКл; X₁ = -1; Y₁ = 0;

Q₂ = -2600 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 1,73;

Q₃ = -2600 нКл; X₃ = 1; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 0,57;

Вариант № 10

Q₁ = -7800 нКл; X₁ = -2; Y₁ = 0;

Q₂ = -7800 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 3,46;

Q₃ = -7800 нКл; X₃ = 2; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 1,15;

Вариант № 11

Q₁ = -5200 нКл; X₁ = -2; Y₁ = 0;

Q₂ = -5200 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 3,46;

Q₃ = -5200 нКл; X₃ = 2; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 1,15;

Вариант № 12

Q₁ = -2600 нКл; X₁ = -2; Y₁ = 0;

Q₂ = -2600 нКл; X₂ = 0; Y₂ = 3,46;

Q₃ = -2600 нКл; X₃ = 2; Y₃ = 0;

Q₄ = ? ; X₄ = 0; Y₄ = 1,15;