лабы комп

11

ТАБЛИЦА 2.Результаты измерений величины напряженности электрического поля

r 12 (см) 40 70 100 130 160

1/r12 2, м-2

E1, В/м

E2, В/м

E3, В/м

E4, В/м

Перед началом измерений подготовьте таблицу 2 .

ЭКСПЕРИМЕНТ 1. Исследование поля точечного заряда

1.Зацепив мышью, перемещайте заряд q1 и зафиксируйте его вблизи левой границы

экспериментального поля (в этом эксперименте этот заряд является источником

поля).

2.Заряд q3 поместите под первым, а его величину установите равной 0 (в этом эксперименте заряд q3 не используют).

3.Перемещайте движок регулятора величины первого заряда и установите величину заряда q1 , указанную в таблице 1 для вашего варианта.

4.Заряд q2 установите равным 1 *10-8 Кл (в этом эксперименте заряд q2 играет

роль пробного заряда).

5.Перемещайте, нажав левую кнопку мыши, заряд q2 вправо, устанавливая расстояние r12 до первого заряда, указанное в таблице 2 первым.

6.Величину напряженности электрического поля в исследуемой точке рассчитайте по формуле (Е1=F12 /q2), подставив в неё значение измеренной силы F12 , и занесите в соответствующую строку табл.2.

7.Повторите измерения п.5 и п.6 для трех других значений заряда q1 из табл.1,

записывая в табл.2 рассчитанные значения Е2, Е3 и Е4.

12

4.ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА

Эксперимент 1

Вычислите и запишите в таблицу 1 значения для второй строки.

Постройте на одном листе графики зависимости напряженности электрического поля

(Е) точечного заряда от квадрата обратного расстояния (1/r2).

По тангенсу угла наклона графиков определите постоянную, используя формулу

Вычислите среднее значение электрической постоянной Запишите ответ и проанализируйте ответ и график.

6.Контрольные вопросы.

1.Что такое электрическое поле? Назовите источники электрического поля. Дайте определение силовой и энергетической характеристик электрического поля.

2.Запишите закон Кулона и поясните физический смысл величин в него входящих.

3.Какая сила действует на заряженное тело в электрическом поле?

4.Используя закон Гаусса для электрического поля, выведите формулу вычисления напряженности поля точечного заряда.

5.Сформулируйте принцип суперпозиции для электрических полей.

6.Задача. Два точечных заряда q1 =7,5 нКл и q2 = - 14,7 нКл расположены на расстоянии

равном r = 5см. Найти напряженность Е электрического поля в точке, находящейся на

расстоянии a =3 см от положительного заряда и b = 4 см от отрицательного заряда.

13

Библиографический список

1.Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 2. М.: Издательство Астрель, 2006.

2.Калашников С.Г. Электричество. М.: Наука, 1985.

3.Трофимова Т.И. Курс физики. М.: Высшая школа ,1999.

14

Лабораторная работа № 2 -02к (и № 2 – 10к)

ЦЕПИ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Компьютерная модель «Цепи постоянного тока» в сборнике компьютерных моделей «Открытая физика»

раздел «Электричество и магнетизм»

1.Цель работы

•Знакомство с компьютерным моделированием цепей постоянного тока.

•Экспериментальное подтверждение законов Ома и Кирхгофа.

2.Теоретическое введение

2.1. Электрический ток.

Электрический ток — упорядоченное (направленное) движение носителей электрических зарядов.

Для возникновения и существования электрического тока необходимы свободные заряды - носители тока, а также наличие электрического поля, энергия которого,

каким-либо образом восполняясь, расходовалась бы на поддержание упорядоченного движения носителей тока.

Носителями тока могут быть электроны, а также положительные или отрицательные ионы, т.е. атомы или молекулы, потерявшие либо присоединившие к себе один или несколько электронов.

Носители тока находятся в беспорядочном тепловом движении. Через воображаемую площадку переносится в обоих направлениях одинаковый заряд и ток отсутствует.При наличии электрического поля, на хаотическое движение

15

накладывается упорядоченное движение носителей тока – возникает электрический ток.

Электрический ток, характеристики которого со временем не изменяются, называют постоянным током. Условно за направление электрического тока считают направление движения положительных зарядов.

Направление тока совпадает с направлением напряженности электрического поля, обусловившего этот ток.

Количественной характеристикой электрического тока является сила тока I .

Если за время dt через поперечное сечение проводника переносится заряд dq,

то сила тока I равна:

Единица силы тока — ампер ( А).

1 Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным тонким проводникам бесконечной длины, расположенным в вакууме на расстоянии 1м один от другого,

создает между этими проводниками силу, равную 2- 107Н на каждый метр длины.

2.2 Электродвижущая сила и напряжение.

Если на носители тока в цепи действуют силы электростатического поля,

то под действием этих сил положительные носители тока перемещаются в цепи от точек с большим потенциалом к точкам с меньшим потенциалом. В результате

16

этого потенциалы во всех точках цепи выравниваются, что приводит к исчезновению электрического поля, следовательно, и исчезновению тока.

Чтобы поддерживать в цепи постоянную разность потенциалов, а тем самым и электрический ток, необходимо «перекачивать» носители тока в обратную электроста-

тическому полю сторону. Это возможно только за счет работы сил неэлектростатического происхождения, которые называют сторонними силами.

Устройства, способные создавать и поддерживать разность потенциалов в цепи за счет работы сторонних сил, называют источниками тока.

Участок электрической цепи, в котором на носители тока действуют только кулоновские силы (силы электростатического поля), называют однородным, а участок,

на котором помимо кулоновских сил действуют еще и сторонние силы, —

неоднородным.

Рассмотрим цепь постоянного тока, включающую проводник и источник тока,

например, гальванический элемент

Рис. 1. Пример замкнутой электрической цепи

Под действием поля сторонних сил положительные заряды внутри источника тока движутся против сил электростатического поля и собираются вблизи положительного полюса, а отрицательные заряды собираются у противоположного — отрицательного полюса. На концах цепи за счет работы сторонних сил будет поддерживаться постоянная разность потенциалов.

После замыкания цепи на внутреннем и внешнем участках цепи свободные заряды придут в упорядоченное движение, в цепи потечет электрический ток. На

17

внешнем участке цепи носители тока движутся под действием сил электростатического

поля по направлению вектора напряженности E , во внутреннем — под действием сторонних сил, по направлению вектора Eст. (против вектора Ё). Таким образом, на

внешнем участке цепи ток направлен от положительного полюса к отрицательному

вдоль всей цепи, называют электродвижущей силой (ЭДС) источника тока

Единица ЭДС такая же, как и единица потенциала электростатического поля (вольт). Стороннюю силу, действующую на заряд Q0 , можно представить в

виде произведения заряда на напряженность поля сторонних сил Eст. :

Тогда работа сторонних сил на участке 1 → 2 цепи будет равна:

Разделив эту работу на заряд Q0 , получим ЭДС, действующую на

данном участке цепи.

18

Таким образом, ЭДС, действующая в замкнутой цепи, равна циркуляции вектора напряженности сторонних сил по замкнутому контуру l .

ЭДС, как и сила тока, — величина скалярная. ЭДС необходимо брать либо с

положительным знаком, либо с отрицательным знаком, в зависимости от знака работы,

совершаемой сторонними силами.

векторы расположены вдоль одной прямой), т.е. когда направление обхода контура

(либо участка цепи) совпадает с направлением Eст. (вектор Eст. направлен от

отрицательного полюса батареи к положительному полюсу).

когда направление обхода контура (либо участка цепи) навстречу направлению Eст.

Кроме сторонних сил, на носители тока действуют силы электростатического

поля Q0 E .

Следовательно, результирующая сила, действующая в каждой точке цепи на заряд Q0, равна:

r r r

F = Q0 (E + Eст. )

Работа, совершаемая этой силой над зарядом Q0 на участке 1 → 2

цепи, определяется выражением:

19

совершает суммарное поле электростатических (кулоновских) сил А и сторонних сил Аст. при перемещении единичного положительного заряда на

данном участке цепи:

Qo из точки 1 в точку 2 (1 →2) вычисляется по формуле:

A = Q0 (ϕ1 − ϕ2 )

Работа сторонних сил Аст можно выразить из формулы (3) :

Aст. = ε Q0

Подставив формулы для вычисления работы сил электростатического поля А и работы сторонних сил Аст. в выражение (8), получим, что

напряжение на участке 1—2, содержащем источник тока, равно сумме ЭДС источника и разности потенциалов на этом участке:

2.3. Закон Ома для однородного участка цепи

20

однородном участке цепи, прямо пропорциональна разности потенциалов на концах участка цепи и обратно пропорциональна сопротивлению этого участка:

2.4. Сопротивление металлического цилиндрического

проводника

Сопротивление проводника зависит не только от свойств металла, из которого изготовлен проводник, но и от его геометрических размеров. Поэтому пользуются

параметром, называемым удельным сопротивлением ρ , которое зависит от свойств

металла и температуры данного проводника, но не зависит от его геометрических размеров. Удельное сопротивление различных металлов различается на несколько порядков, так, серебро, используемое в радиоэлектронике как хороший проводник.

имеет ρ = 1, 5 10−8 Ом м, а теллур имеет