- •Оглавление
- •Предисловие
- •Рекомендации преподавателям
- •Указания студентам
- •I. Электрическое поле и постоянный электрический ток. Лабораторная работа № 2.1 исследование электростатического поля методом зонда
- •1. Электростатическое поле и его характеристики
- •2. Изучение электростатических полей, созданных системой проводящих электродов
- •3. Изучение свойств электрического тока в изотропной среде
- •4 . Экспериментальные установки
- •5. Опытное определение эквипотенциальных точек и построение эквипотенциальных линий
- •6. Изучение электрических полей, созданных точечными и равномерно распределенными зарядами, с помощью электронного учебника «Открытая физика» и математического пакета Maple
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.2 закон ома и правила кирхгофа для разветвленных цепей
- •1. Закон Ома
- •2. Правила Кирхгофа
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Проверка закона Ома для участка цепи и измерение внутренних сопротивлений источников тока
- •5.Нахождение токов в разветвленной цепи
- •6.Изучение темы «Правила Кирхгофа для разветвленных цепей» с помощью программы «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.3 Температурная зависимость сопротивления проводников и полупроводников
- •1. Электропроводность металлов
- •2.Электропроводность полупроводников
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Определение зависимости сопротивлений проводника и термистора от температуры
- •5. Вычисление энергии активации полупроводника
- •6. Изучение электропроводности твердых тел с помощью пакета программ “Открытая физика”
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.4 релаксационный генератор на основе тиратрона
- •1. Тлеющий разряд в газах
- •2. Газоразрядные приборы
- •3. Релаксационный генератор на основе тиратрона
- •4. Экспериментальная установка
- •5. Измерение потенциала зажигания и гашения тиратрона
- •6. Измерение периода релаксационных колебаний секундомером
- •6. Измерение периода релаксационных колебаний с помощью осциллографа
- •7. Измерение емкости батареи конденсаторов
- •8. Изучение квазистационарных процессов в rc-цепях с помощью пакета программ «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •II. Магнитное поле. Лабораторная работа № 2.5 магнитное поле кругового тока
- •1. Закон Био-Савара-Лапласса и его применение для определения индукции магнитного поля кругового тока
- •2. Магнитное поле Земли
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Измерение горизонтальной составляющей индукции магнитного поля Земли
- •5. Проверка закона Био-Савара-Лапласса
- •6. Изучение силовых линий магнитного поля с помощью пакета программ «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.6 определение удельного заряда электрона
- •1. Сила Лоренца
- •2. Краткое описание тетрода 6э5п
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Методика определения удельного заряда электрона
- •5. Измерение удельного заряда электрона
- •6. Работа с компьютерной моделью движения заряда в магнитном поле
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.7 эффект холла
- •1. Эффект Холла и его теоретическое обоснование
- •2 Датчики Холла
- •3. Экспериментальная установка
- •4. Градуировка датчика
- •5. Измерение индукции магнитного поля вдоль оси соленоида
- •6. Определение параметров датчика
- •Контрольные вопросы
- •III. Колебания и волны. Лабораторная работа № 2.8 Свободные механические колебания
- •1. Изучение гармонических колебаний математического и физического маятников
- •2. Ангармонические колебания физического маятника
- •3. Затухающие колебания физического маятника
- •4. Измерение периода малых колебаний математического маятника и определение ускорения свободного падения
- •5. Определение зависимости периода колебания физического маятника от амплитуды
- •6. Исследование затухающих колебаний.
- •7. Изучение темы «Свободные колебания математического маятника» с помощью программы «Открытая физика»
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.9 изучение электронного осциллографа
- •1. Электронный осциллограф
- •2. Сложение двух колебаний одного направления и одинаковых или близких частот
- •3. Сложение взаимно перпендикулярных колебаний
- •4. Использование осциллографа
- •5. Схема экспериментальной установки
- •6. Подготовка электронного осциллографа к работе
- •7. Измерение амплитуды, периода и частоты синусоидальных колебаний
- •8. Измерение периода биений
- •9. Определение сдвига фаз двух гармонических взаимно-перпендикулярных колебаний одинаковой частоты
- •10. Определения частоты колебаний по заданной частоте
- •11. Изучение квазистационарных процессов в rlc-цепях с помощью пакета программ “Открытая физика”
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2.10 Закон Ома для цепей переменного тока
- •1. Цепи переменного тока (краткая теория)
- •2. Выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 2. 11 стояЧие волны и определение скорости звука в воздухе
- •1. Звуковые волны
- •2. Звуковые волны в газах
- •3. Стоячие волны
- •3. Описание экспериментальной установки и выполнение работы
- •Контрольные вопросы
- •ПриложениЕ I. Таблицы физических величин
- •Диэлектрическая проницаемость
- •ПриложениЕ II. Некоторые сведения о единицах физических величин
- •Основные и производные единицы электрических и магнитных величин в си
- •Коэффициенты перевода внесистемных единиц в единицы си
- •Приставки для образования кратных и дольных единиц
- •Греческий алфавит
- •Литература Основная
- •Дополнительная
- •Электромагнетизм, колебания и волны Учебное пособие для выполнения лабораторных работ
- •428000, Г. Чебоксары, ул. П. Лумумба, 8
3. Изучение свойств электрического тока в изотропной среде
Сила тока и модуль его плотность в изотропной среде задаются выражениями
, , (1.29)
где – элемент поверхности, нормальный к направлению тока , причем через проходит ток . В случае постоянного тока количество электричества, втекающего в любой элемент объема, должно равняться количеству электричества, вытекающего из него. Отсюда следует теорема Гаусса для плотности тока
. (1.30)
Аналогичные формулам (1.14)-(1.16) преобразования приводят к общей формуле
, 1.31)
и формуле для двумерного (плоского) случая
. (1.32)
В изотропной среде направления плотности тока и вектора напряженности электрического поля совпадают. Тогда, принимая во внимание (1.11), получим:
, (1.33)
где – удельная электрическая проводимость вещества.
Для плоского тока
. (1.34)
Подставляя (1.34) в формулу (1.32) получим уравнение Лапласа (1.18). Таким образом, потенциал электростатического поля при прохождении тока в изотропной проводящей среде, удовлетворяет тому же уравнению Лапласа, что и потенциал электростатического поля в вакууме, воздухе или среде с диэлектрической проницаемостью, близкой к единице. Это дает возможность моделировать распределение потенциала с помощью электропроводящей бумаги, что и выполняется в данной работе.
4 . Экспериментальные установки
Схема первой экспериментальной установки изображена на рис. 1.6. Для фиксации эквипотенциальных поверхностей используется чистый лист бумаги, на который кладется копировальная бумага. Сверху помещается электропроводящая бумага, на которую устанавливаются электроды М и N. При замыкании ключа К между ними создается разность потенциалов 8, 9 В и протекает слабый электрический ток.
Опущенный на лист токопроводящей бумаги в некоторой точке тонкий металлический зонд Z приобретает потенциал поля в этой точке и мало изменяет распределение потенциала в бумаге. Значение потенциала зонда Z относительно электрода М определяется вольтметром V. Зонд соединен с выводом R потенциометра через гальванометр Г. Перемещением движка потенциометра, можно изменять разность потенциалов между точкой R и электродом М. При наличии ненулевой разности потенциалов между точками Z и R через гальванометр Г идет электрический ток. Если потенциал точки поля равен потенциалу зонда, то тока в цепи Z - Г - R не будет, а стрелка гальванометра Г будет стоять на нуле. Положения зонда с нулевыми токами гальванометра при фиксированном положении движка потенциометра, лежат на одной и той же эквипотенциальной линии. Фиксация формы и положения эквипотенциальной линии изучаемого поля производится графически. При нажатии концом зонда на лист токопроводящей бумаги и лежащий под ним лист копировальной бумаги на нижнем чистом листе появляется отпечаток. Таким образом, зондом можно обследовать все поле и построить несколько точек эквипотенциальной линии. Соединяя точки плавной кривой можно воспроизвести на бумаге геометрическую форму исследуемой эквипотенциальной линии. Аналогично, устанавливая движком делителя напряжения R другой потенциал и, перемещая зонд по листу электропроводящей бумаги, можно найти положение другой эквипотенциальной линии и т.д.
Вторая упрощенная экспериментальная установки включает лишь источник ЭДС (батарейку), подключаемую к электродам и мультиметр (тестер). Разность потенциалов между одним из электродов и исследуемой точкой измеряется непосредс твенно в режиме вольтметра. Один из выводов мультиметра, снабженный пружинным контактом (“крокодильчиком”), прикрепляется к электроду, а второй заостренный щуп играет роль зонда.
Для получения полей различной конфигурации следует менять форму электродов. Поле между электродами можно изменить, поместив в него металлическое кольцо или другой предмет.