
- •Лабораторный практикум по физике с компьютерными моделями
- •Часть II
- •«Электричество и магнетизм»
- •Введение
- •Раздел III, IV
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Напряженность электрического поля конденсатора
- •Результаты измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 302 взаимодействие электрических зарядов
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Результаты измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №303 цепи постоянного тока
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения эдс источников тока и сопротивления резисторов
- •Результаты измерений
- •Результаты расчета
- •Порядок выполнения работы
- •Результаты измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №305 электромагнитная индукция
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения работы
- •Значения индукции магнитного поля b, сопротивления r и скоростей υ
- •Результаты измерений
- •Контрольные вопросы
- •Свободные колебания в rlc - контуре
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения ёмкости конденсатора и индуктивности катушки
- •Результаты измерений
- •Контрольные вопросы
- •Вынужденные колебания в rlc – контуре
- •Краткая теория
- •Порядок выполнения лабораторной работы
- •Значения характеристик
- •Результаты измерений
- •Вопросы и задания для самоконтроля
- •Содержание
- •Лабораторный практикум по физике с компьютерными моделями
- •Часть II
- •Компьютерная верстка о.Л. Никонович
Лабораторная работа № 302 взаимодействие электрических зарядов
Цель работы:
знакомство с моделированием электрического поля от точечных источников
экспериментальное подтверждение закономерностей для электрического поля точечного заряда и электрического диполя
экспериментальное определение величины электрической постоянной.
Приборы и принадлежности:
персональный компьютер
компьютерные модели «Открытая физика 1.1».
Краткая теория
Электрический заряд– величина, определяющая интенсивность электромагнитного взаимодействия заряженных частиц. В системе единиц измерения СИ измеряется вкулонах (Кл)..Электрические заряды обладают следующими свойствами:
Полный электрический заряд изолированной системы сохраняется (аддитивность).
Электрический заряд релятивистки инвариантен, т. е. его величина одинакова при измерении в любой инерциальной системе отсчета.
Величина заряда может принимать только дискретные значения:
– минимальный
заряд частицы
=
1,60·10-19Кл;
– любой заряд q
кратен минимальному, т.е.
,гдеN – целое
число;
– минимальные положительный и отрицательный заряды равны
по абсолютной величине.
Точечным электрическим зарядомназывается заряженное тело, линейные размеры которого несущественны в данной задаче. Всякое заряженное тело можно рассматривать как совокупность точечных зарядов.
Если заряды распределены в заряженном теле непрерывно – вдоль некоторой линии (например, в случае заряженного тонкого стержня), поверхности (например, в случае заряженного проводника) или объема, пользуются понятиями линейной, поверхностной и объемной плотности зарядов.
Линейная плотность
электрических зарядов
,
где
–
заряд малого участка заряженной линии
длиной
.
Поверхностная плотность электрических
зарядов
,
где
–
заряд малого участка заряженной
поверхности площадью
.
Объемная плотность электрических
зарядов
,
где
–
заряд малого элемента заряженного тела
объемом
.
Электростатическое поле– это частный вид электромагнитного поля. Оно создается совокупностью электрических зарядов, неподвижных в пространстве и неизменных во времени.
Удаленные друг от друга точечные заряды в электростатическом поле взаимодействуют по закону Кулона:
Два точечных
заряда q1
и q2
взаимодействуют друг с другом с силой
,
прямо пропорциональной произведению
зарядовq1
и q2 и
обратно пропорциональной квадрату
расстояния r между
ними. Эта сила направлена по линии,
соединяющей точечные заряды.
,
(1)
где r– расстояние между двумя точечными
зарядамиq1иq2,–
радиус - вектор, соединяющий зарядq2
с зарядом q1,
–
электрическая постоянная, она равна
,
– диэлектрическая проницаемость среды
– она показывает, насколько сила
взаимодействия между двумя точечными
зарядами в вакууме больше силы
взаимодействия между двумя точечными
зарядами в данной среде.
Напряженность– векторная физическая величина (),
определяющаяся отношением силы
,
действующей со стороны поля на неподвижный
положительный точечный электрический
заряда
помещенный в рассматриваемую точку
поля, к величине этого заряда:
(2)
В системе единиц
измерения СИ напряженность измеряется
в
(Вольт на метр).
Простейшей системой
точечных зарядов является электрический
диполь. Электрическим диполемназывается совокупность равных по
величине, но противоположных по знаку
двух точечных зарядов– qи+ q,
находящихся друг относительно друга
на некотором расстоянии. Вектор,
направленный по оси диполя (прямая,
проходящая через оба заряда) от
отрицательного к положительному и
равный расстоянию между ними, называется
плечом диполя.
Вектор
совпадающий по направлению с плечом
диполя и равный произведению зарядаqна плечоl, называетсяэлектрическим моментом диполяили
дипольным моментом,
.
Если длинаlпренебрежимо
мала по сравнению с расстоянием от
диполя до точки наблюдения, то диполь
называется точечным.
Напряженность электростатического поля точечного диполя можно найти в соответствии с принципом суперпозиции, согласно которому напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым из зарядов в отдельности.
,
(3)
где
и
– напряженности полей, создаваемых
соответственно положительным и
отрицательным зарядамиq.
Рассчитаем напряженность поля в произвольной точке на продолжении оси диполя и на перпендикуляре к середине его оси.
1.
Напряженность поля на продолжении оси
диполя в точкеАв соответствии с принципом суперпозиции
полей равна
.
Согласно формуле (2), напряженность в
точкеАможно
записать:
,
где r – расстояние от середины оси диполя до точкиА. Так как для поля диполяl2<<r2, то напряженность
.
(4)
2.
Напряженность поля на перпендикуляре,
восстановленном к оси из его середины
в точке В (точкаВ
равноудалена от зарядов), равна
.
(5)
Из подобия
равнобедренных треугольников, опирающихся
на плечо диполя и вектор
,
получим:
.
(6)
Поставив в выражение
(6) значение
из выражения (5), получим
.
(7)