377

mА», «постоянное напряжение =», «вольтметр В» (стр.10).

4. Перед включением приборов во избежание их повреждения установите максимальные множители переключателей диапазонов измерений

путем нажатия правых сенсорных кнопок (для вольтметра – «*200», для

генератора постоянного напряжения 19, и записывайте в таблицу значения напряжения и силы тока в цепи. При этом путем переключения кнопок (ряды 15 и 11) диапазонов измерений блока АВ подбирайте нужный диапазон так, чтобы измеряемая величина (сила тока и напряжение ) составляла 60 - 100% от предельного значения диапазона.

7.По окончании работы отключите питание установки, выведите регулятор напряжения в крайнее левое положение. Установите максимальные множители переключателей диапазонов измерений приборов.

8.Результаты измерений проверьте у преподавателя.

9.Разберите электрическую цепь, установив все кнопки на исследуемой

схеме в отжатое положение. Этот пункт выполняется в конце

каждой работы без напоминания!!!

10. Рассчитайте сопротивление участка цепи и его абсолютную и относительную погрешности по формулам (лаб. работа №1 практикума «Механика. Молекулярная физика»), где t( , n) – коэффициент Стьюдента..

21

11.Запишите окончательный результат вычислений в виде формулы 13 применительно к вашей вычисляемой величине. Сравните с заводским значением сопротивления резистора, запишите его значение в таблицу.

12.Постройте график зависимости силы тока в исследуемом участке цепи

от приложенного к нему напряжения: I = f(U). Масштаб координатных осей выберите самостоятельно.

13. По графику вольтамперной характеристики определите электрическое сопротивление исследуемого участка цепи по наклону прямой к оси напряжений

Полученное значение запишите в таблицу. Сравните все три полученных результата .

14. Исходя из теоретических положений и полученных экспериментальных результатов, сделайте выводы о проделанной работе.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ.

Вопросы для допуска к работе.

1.Для чего нужны электроизмерительные приборы? Какие приборы вы знаете?

2.Что такое предел измерения?

3.Как определить цену деления прибора?

4.Как следует включать в цепь вольтметр? амперметр?

5.Что такое шунт?

6.Как правильно подбирать предел измерения величины?

7.Порядок работы с блоком ГН.

8.Порядок работы с блоком АВ.

9.Как перейти от измерения постоянного напряжения к измерению переменного напряжения?

10.Какой блок включается первым?

Контрольные вопросы.

1.Общая классификация электроизмерительных приборов.

2.Основные параметры электроизмерительных приборов, связь между

22

ними.

3.Способы включения основных электроизмерительных приборов в электрическую цепь, критерии увеличения точности измерений.

4.Основные компоненты электрической цепи, их назначение. Условия существования тока в цепи. Закон Ома для участка цепи.

5.Чем определяется предел измерения стрелочного прибора? Например, можно ли однопредельный вольтметр, рассчитанный на измерение напряжения 300 вольт использовать для измерения напряжения 1000 вольт?

6.Как прибор для измерения тока можно использовать для измерения разности потенциалов?

7.Амперметр с сопротивлением RA = 0,16 Ом зашунтован сопротивлением R = 0,04 Ом. Амперметр показывает ток I0 = 8 А. Найти ток I в цепи.

8.Имеется предназначенный для измерения разности потенциалов до

U = 30 В вольтметр с сопротивлением RV = 2 кОм, шкала которого разделена на 150 делений. Какое сопротивление R надо взять и как его включить,

чтобы этим вольтметром можно было измерять разности потенциалов до Uo = 75В? Как изменится при этом цена деления вольтметра?

9.Имеется предназначенный для измерения токов до I = 15мА амперметр

с сопротивлением RA =5 Ом. Какое сопротивление R надо взять и как его включить, чтобы этим прибором можно было измерять: а) ток до I0 = 150 мА; б) разность потенциалов до U0 = 150 В?

Приложение 1. Пример определения величины скорости V по наклону

23

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы:

1.Экспериментальное исследование электростатического поля.

2.Изобразить графически сечение эквипотенциальных поверхностей электростатического поля, созданного заданной конфигурацией зарядов

3.Используя изображение эквипотенциальных поверхностей, построить силовые линии электростатического поля заданной конфигурации зарядов

4.Рассчитать напряженность электростатического поля. Оборудование: электролитическая ванна, масштабная сетка с

электродами, вольтметр, лист миллиметровой бумаги, генератор переменного напряжения.

Основные теоретические сведения.

Электрический заряд – это физическая величина, характеризующая способность тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Курс электромагнетизма начинается с изучения неподвижных электрических зарядов - с электростатики.

Электрический заряд обладает следующими фундаментальными свойствами.

1.Заряд существует в двух видах, один из которых условно был назван положительным, другой – отрицательным. Всегда одинаковые по знаку электрические заряды отталкиваются, а противоположного знака – притягиваются.

2.Свойство дискретности. Любой заряд кратен целому числу элементарных зарядов,

q = ne ( n = 0, 1, 2, …)

т.е. электрический заряд тела – дискретная величина. Физические величины, которые могут принимать только дискретный ряд значений, называются квантованными. Элементарный заряд e , равный заряду электрона, является квантом (наименьшей порцией) электрического заряда.

е= 1,6·10–19 Кл.

3.Свойство аддитивности. Заряд Q системы тел равен алгебраической сумме зарядов тел, входящих в данную систему.

Q = q1 + q2 + q3 + …

24

4.Свойство инвариантности. Величина электрического заряда не зависит от системы отсчета, в которой он измеряется. Заряд является релятивистки инвариантным. Его величина не зависит от того, движется он или покоится.

5.Закон сохранения. В электрически замкнутой системе полный заряд системы остается постоянным при любых взаимодействиях тел внутри такой системы.

q1 + q2 + q3 +...+qn = const.

Электрические заряды взаимодействуют посредством полей. Поле неподвижных зарядов носит название электростатического. Заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь, называют точечным зарядом. Силовое воздействие электростатического поля на электрический заряд количественно характеризуется законом Кулона: сила взаимодействия двух точечных неподвижных зарядов

пропорциональна величине заряда Q, создающего поле, величине заряда q, помещенного в это поле, и обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами.

пропорциональности, обусловленный выбором системы единиц СИ, Q - величина заряда, создающего поле, q - величина заряда, помещенного в

поле, r - расстояние между зарядами, - относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между зарядами.

Диэлектрическая проницаемость показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше , чем сила их взаимодействия в

среде. Величина 0 имеет название электрическая постоянная.

0= 8,85 10-12 Ф/м.

Здесь буквой Ф обозначена физическая величина Фарад, являющаяся единицей ѐмкости в системе СИ.

Сила взаимодействия электрических зарядов (сила Кулона) направлена вдоль прямой, соединяющей центры заряженных тел, то есть, является центральной силой. В векторном виде закон Кулона можно записать так:

25

r

где r - единичный вектор, направленный по линии действия силы.

Рис. 1.Силы взаимодействия одноименных и разноименных зарядов.

Любое заряженное тело создает в окружающем пространстве особые условия, которые мы называем полем. Если мы внесем в поле другой заряд, он ощутит на себе действие силы. Такой заряд – «испытатель» - пробующий на себе действие поля и не искажающий его, называется пробным зарядом. Условились в качестве пробного заряда брать положительный заряд.

Если в данную точку поля, создаваемого зарядом Q, помещать разные заряды q1, q2, q3, …, то отношение сил F1, F2, F3, …, действующих на эти заряды, к величинам зарядов будет оставаться величиной постоянной для данной точки поля.

Напряженность электрического поля – это физическая величина,

Из определения напряженности следует, что сила, действующая со стороны электрического поля на точечный заряд, равна (закон Кулона в

полевой форме):

(4)

Напряженность электрического поля – векторная физическая величина.

Направление вектора E совпадает в каждой точке пространства с

направлением силы, действующей на положительный пробный заряд:

если Q > 0, то вектор E направлен по радиусу от заряда,

если Q < 0, то вектор E направлен к заряду.

26

Исходя из закона Кулона (1) и определения напряженности (3), можно легко рассчитать напряженность электрического поля, создаваемого

Согласно известному из курса механики принципу независимости действия сил, результирующее значение напряженности поля, создаваемого одновременно несколькими электрическими зарядами в одной и той же точке пространства, определяется согласно принципу суперпозиции: результирующая напряженность электрического поля,

созданного несколькими зарядами, равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых каждым из имеющихся зарядов:

электрические силы совершают работу. Элементарная работа при малом перемещении dl равна

27

Таким образом, работа на малом перемещении зависит только от расстояния r между зарядами и его изменения dr=dl·cosα . Если это выражение проинтегрировать на интервале от r = r1 до r = r2, то можно получить

Из полученного результата следует два очень важных вывода:

1)работа сил электростатического поля при перемещении заряда из одной точки поля в другую не зависит от формы траектории, а определяется только положением начальной и конечной точек;

2)работа сил электростатического поля при перемещении заряда по любой замкнутой траектории равна нулю.

Силовые поля, обладающие этими свойствами, называют

потенциальными, а силы, действующие в таких полях - консервативными.

Электростатическое поле – потенциальное поле. Другим примером потенциального поля является гравитационное поле.

Сучетом равенства нулю работы по замкнутому контуру можно записать:

Кружок, поставленный на знак интеграла относится к пределам интегрирования и означает, что здесь речь идет о суммировании по замкнутой траектории. Математики договорились такой интеграл, взятый по замкнутой кривой, называть циркуляцией вектора, стоящего под знаком интеграла. Из выражений (3) и (9) следует

образом, циркуляция вектора E по замкнутому контуру равна нулю, то есть

электростатическое поле является потенциальным полем. Равенство (10)

является интегральной формой утверждения о потенциальности электрического поля.

28

Свойство потенциальности электростатического поля позволяет ввести понятие потенциальной энергии заряда в электрическом поле.

Потенциальная энергия заряда q, помещенного в любую точку (1) пространства равна работе A10, которую совершит электрическое поле при перемещении заряда q из бесконечности (0) в точку (1):

Потенциальная энергия заряда q, помещенного в электрическое поле, пропорциональна величине этого заряда. Физическую величину, численно

равную потенциальной энергии WП единичного положительного заряда

Потенциал φ является энергетической характеристикой

электростатического поля. В Международной системе единиц (СИ) единицей потенциала является вольт (В).

1 В = 1 Дж / 1 Кл.

Потенциал точечного заряда Q , создающего поле, в вакууме на расстоянии r от него вычисляется следующим образом:

Результирующее значение потенциала, создаваемого одновременно несколькими электрическими зарядами в одной и той же точке пространства, определяется согласно принципу суперпозиции:

результирующий потенциал электрического поля равен алгебраической сумме потенциалов полей, создаваемых каждым из имеющихся зарядов:

N

i

определяется с точностью до произвольной постоянной. Физический же смысл имеет разность потенциалов, то есть, работа, совершаемая силами

электростатического поля при перемещении точечного единичного

29

заряда из точки (1) в точку (2). Поскольку электростатическое поле является потенциальным, работа сил поля по перемещению заряда равна убыли потенциальной энергии заряда и не зависит от пути перемещения заряда . Разность потенциалов связана с работой сил электрического поля по перемещению точечного заряда следующим образом:

- потенциалы начальной и конечной точек положения заряда.

Напряженность и потенциал – силовая и энергетическая характеристики электростатического поля. Они связаны между собой следующим соотношением: напряженность электрического поля E равна

градиенту электростатического потенциала , взятому с обратным знаком:

Градиент функции - это вектор, характеризующий скорость пространственного изменения функции и направленный в сторону максимального еѐ возрастания. Как видно из формулы (16), вектор напряженности электрического поля направлен в сторону, противоположную максимальному возрастанию потенциала.

Одним из способов графического представления электрического поля является построение силовых линий и эквипотенциальных поверхностей электрического поля.

Силовой линией электростатического поля называется линия, в

каждой точке которой вектор напряженности электрического поля направлен к ней по касательной. Силовые линии электрического поля нигде не пересекаются (только на зарядах), располагаются перпендикулярно к заряженным поверхностям. В случае точечного заряда силовые линии – это радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен, и входящие в него, если заряд отрицателен. При изображении электрического поля с помощью силовых линий, их густота должна быть пропорциональна модулю вектора напряженности поля.

Для наглядного представления электрического поля наряду с силовыми линиями используют эквипотенциальные поверхности. Если на линиях напряженности отметить точки одинакового потенциала и соединить их между собой, то полученные при этом поверхности (в плоскости рисунка это будут кривые) называются эквипотенциальными. Эти поверхности целесообразно проводить так, чтобы разность потенциалов между соседними поверхностями была одинаковой. Тогда по густоте эквипотенциальных

30