
- •Введение
- •Способы обработки и представления
- •Результатов измерений
- •Основные понятия, термины и определения
- •Порядок обработки результатов прямых измерений
- •Определение доверительного интервала косвенного измерения
- •Правила построения графиков
- •Метод наименьших квадратов
- •Оформление отчетов по лабораторным работам
- •Список рекомендуемой литературы
- •Лабораторная работа № 1 определение плотности однородного материала тела правильной геометрической формы Цель работы:
- •Теоретическое введение
- •Порядок выполнения работы
- •Приложение. Измерительные приборы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2
- •Описание установки и метода
- •Часть 1. Проверка закона равноускоренного движения Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Часть 2. Проверка второго закона ньютона Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Описание установки и метода
- •Следовательно, момент силы относительно оси маятника
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы и задания
- •Лабораторная работа № 4
- •Описание метода измерений
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 5 определение модуля сдвига из деформации кручения
- •Теоретическое введение
- •Описание установки и метода измерений
- •Порядок выполнения работы:
- •Обработка результатов измерений:
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 8 определение скорости пули при помощи крутильно-баллистического маятника
- •Теоретическое введение
- •Описание установки
- •Метод измерения
- •Определение параметров установки
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 9 определение отношения удельных теплоемкостей воздуха методом адиабатического расширения
- •Теоретическое введение
- •Описание установки и метода
- •Порядок выполнения работы и обработка результатов измерения
- •Контрольные вопросы
- •Список рекомендуемой литературы Лабораторная работа № 11 определение приращения энтропии при нагревании и плавлении твердого тела
- •Теоретическое введение
- •Описание установки и метода
- •Порядок выполнения работы
- •Обработка результатов измерений
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа №16 определение емкости конденсатора с помощью баллистического гальванометра
- •Лабораторная работа n 17 исследование электростатического поля
Лабораторная работа n 17 исследование электростатического поля
Цель работы
Ознакомление с основными величинами, характеризующими электростатическое поле: напряженностью и потенциалом.
Ознакомление с методикой практического исследования поля.
Построение качественной картины поля, создаваемого в пространстве двумя цилиндрическими электродами.
Теоретическое введение
Электрические заряды создают в окружающем пространстве электрическое поле, которое можно обнаружить и исследовать с помощью точечного пробного неподвижного заряда q0, помещенного в ту или иную точку поля. Понятие "пробный заряд" означает, что этот заряд настолько мал, что внесение его в данную точку поля не вызывает перераспределения зарядов, создающих поле, другими словами, пробный заряд не искажает исследуемое поле. Для простоты рассуждений пробный заряд будем считать положительным.
Электрическое
поле в каждой точке пространства имеет
две характеристики: силовую и
энергетическую. Силовая характеристика
поля называется напряженностью,
обозначается буквой
.
Энергетической характеристикой поля
является потенциал
.
Напряженностью
электрического поля называется векторная
величина, равная силе
,
действующей в данной точке поля на
единичный положительный заряд, помещенный
в эту точку.
Согласно данному определению запишем формулу для нахождения напряженности электрического поля:
.
(1)
Модуль вектора напряженности равен:
.
(2)
Напряженность поля точечного заряда q найдем следующим образом: по закону Кулона вычислим силу взаимодействия заряда с пробным зарядом q0
,
(3)
где
Ф/м - электрическая постоянная;
-
диэлектрическая проницаемость среды;r
- расстояние между зарядами q
и q0.
Подставим (3) в (2) и получим значение напряженности поля точечного заряда
.
(4)
В системе СИ напряженность измеряется в вольтах на метр (В/м). Графически электрическое поле изображается с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.
Силовой линией (линией напряженности) называется такая линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности поля. Густота силовых линий пропорциональна численному значению напряженности поля в данной области. Пример силовой линии приведен на рис. 1.
Рис. 1 - Силовая линия электрического поля
Линии напряженности поля не являются замкнутыми. Они выходят из положительного заряда и входят в отрицательный заряд.
Рис. 2 - Схема линий напряженности и эквипотенциальных поверхностей точечных зарядов
Рассмотрим энергетическую характеристику поля - потенциал. Потенциалом называется скалярная величина, численно равная работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки поля в бесконечность. Потенциал поля определен с точностью до аддитивной постоянной.
Используется также
физическая величина, называемая разностью
потенциалов
.
Разность потенциалов численно равна
работе сил поляA
по перемещению
единичного положительного заряда из
одной точки поля в другую:
.
(5)
Потенциал поля точечного заряда в системе СИ рассчитывается по формуле:
.
(6)
Единицей измерения потенциала в системе СИ служит вольт (В). Эквипотенциальной поверхностью называется геометрическое место точек, потенциалы которых одинаковы. Работа по перемещению заряда по эквипотенциальной поверхности равна нулю, поэтому линии напряженности поля в любой точке перпендикулярны к эквипотенциальной поверхности.
Рис. 3 - Схема силовых линий электрического поля и эквипотенциальных поверхностей двух разноименных точечных зарядов
На рисунках 2, 3
сплошными кривыми показаны силовые
линии электрического поля, пунктирными
- эквипотенциальные поверхности с
потенциалами
.
Направление силовых линий указано
стрелками. Как видно из рисунков, путем
построения картины силовых линий и
эквипотенциальных поверхностей можно
получить наглядную картину электрического
поля.
Исследование поля в данной лабораторной работе заключается в измерении координат точек эквипотенциальных поверхностей и построении на миллиметровой бумаге или бумаге в клеточку эквипотенциальных поверхностей и силовых линий электрического поля.
Описание установки и метода
В состав установки (рис.4) входит ванна 1, изготовленная из диэлектрика, в которую наливают слабо проводящую жидкость - воду. В серединах двух противоположных сторон ванны закреплены цилиндрические электроды 2, изготовленные из нержавеющей стали, на которые должно подаваться постоянное напряжение, однако, в такой схеме наблюдается электролитическая коррозия электродов.
В данной работе исследование электрического поля проводится с помощью метода зонда. Дополнительный электрод (зонд Z) помещается в данную точку поля и с помощью вольтметра измеряется потенциал, приобретенный зондом относительно определенной точки поля, потенциал которой полагают равным нулю.
Рис. 4 - Установка
Кроме того, для
измерения распределения потенциала
необходим вольтметр постоянного
напряжения с большим входным сопротивлением,
непременным атрибутом которого является
так называемый "дрейф нуля" вносящий
существенные погрешности в результаты
измерений.
С
целью устранения отмеченных недостатков
в данной работе исследование электрического
поля проводится с использованием
прикрепленного к ванне генератора
переменного напряжения.
Рис. 5 - Блок-схема
При этом на электроды 2 (рис. 5) подается синусоидальное напряжение с частотой 15-50 кГц от генератора (Г). Эффективное значение напряжения 10-15 В.
Изучение характера распределения потенциала производится при перемещении зонда по поверхности ванны (рис.5). Измерение потенциала производится по шкале милливольтметра ВЗ-38, ВЗ-40 и др. Для удобства определения координат точек эквипотенциальной линии дно ванны выполнено из прозрачного материала, под которым укреплен лист миллиметровой бумаги с обозначенными на нем осями координат.
Порядок выполнения работы и обработки результатов измерений
Включите тумблер "сеть" на передней панели вольтметра. При этом должна загореться сигнальная лампочка.
Дайте прибору прогреться в течение 3-5 минут.
Налейте в ванну 200 мл водопроводной воды.
Установите ванну строго горизонтально с помощью четырех регулировочных винтов. Горизонтальное положение контролируйте по пузырьку уровня (3).
После прогрева вольтметра включите генератор тумблером "сеть", расположенным на панели установки.
Поместите зонд в начало координат и вращением на панели генератора ручки регулятора "уст. 0" добейтесь показания "0" на шкале вольтметра.
Поместите зонд на оси Х на расстоянии 2 см от одного из электродов. Запишите в таблицу показание U1 вольтметра V.
Передвигая зонд вблизи данного электрода, найдите 8-10 точек, для которых показания прибора будут равны U1. Запишите в таблицу координаты найденных точек Xij ; Yij (i-номер эквипотенциальной поверхности, j-номер точки на этой поверхности). Плавная линия, проведенная через эти точки, будет представлять собой первую эквипотенциальную поверхность.
Поместите зонд на оси Х на расстоянии 4 см от электрода и повторите пункты 7, 8 настоящей инструкции.
Последовательно сдвигая зонд на оси Х на 2 см от каждого предыдущего положения, измерьте координаты точек десяти эквипотенциальных поверхностей.
Результаты измерений представьте в виде таблицы.
Таблица
Номер эквипотенциальной поверхности (i) |
Показание вольтметра (Vi), В |
Пары координат точек эквипотенциальной поверхности (Xij ; Yij), мм |
1 |
V1 |
|
2 |
V2 |
|
... |
... |
|
10 |
V10 |
|
На листе миллиметровой бумаги размером 210 х 300 мм или бумаге в клеточку постройте эквипотенциальные поверхности по точкам из таблицы.
Результаты измерений
представьте в виде графика
(xij,yij)
= const. На графике пунктиром нанесите
силовые линии электрического поля. По
формуле
,
где
- разность потенциалов между двумя
эквипотенциальными поверхностями,
- расстояние между ними, определите
напряженность поля на всех участках
осевой линии между эквипотенциальными
поверхностями.
Контрольные вопросы
Дайте определения напряженности и потенциала электростатического поля.
Запишите выражения напряженности и потенциала для поля точечного заряда.
Какое поле называется однородным?
Дайте определения силовой линии и эквипотенциальной поверхности.
Докажите, что силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.
Как связаны напряженность и потенциал электрического поля?