Введение
Целью работы является
- знакомство с компьютерным моделированием электрического поля точечных зарядов;
- экспериментальное подтверждение закономерностей для электрического поля точечного заряда и электрического диполя;
- экспериментальное определение величины электрической постоянной.
1. Краткая теория
Два точечных заряда q 1 и q 2
взаимодействуют в вакууме между собой с силой,
| 1 q 1 q 2 |
F =. (1.1)
Здесь
r - расстояние между зарядами,
e 0 - электрическая постоянная.
Напряженностью электрического поля в некоторой точке называется векторная величина
, (1.2)
q 0
|
E =, В/м, (1.3)
где
- сила, действующая на пробный заряд q 0, помещенный в данную точку поля.
Обозначим
q 1 = q,
q 2 = q 0. (1.4)
Подставим (1.1) и (1.4) в (1.3)
| 1 q |
Справедливость закона (1.5) можно проверить, построив экспериментально линеаризованный график зависимости
E = ƒ 
(1.6)
Электрический диполь представляет собой два жестко связанные между собой точечные заряды равные по величине и противоположные по знаку (Рис.1.1).
При этом
Рис. 1.1 – Электрический диполь
q 1 = q 2
= q, (1.7)
q 1 < 0
, q 2 > 0,
l = 
- расстояние между зарядами диполя.
Электрическим дипольным моментом называется векторная величина
p →= q 
, (1.8)
p = ql, Кл*м. (1.9)
Поместим пробный заряд
q 0 на прямой, перпендикулярной оси диполя и проходящей
через середину расстояния между зарядами диполя (Рис.1.2).
| F |
Рис. 1.2 – Электрический диполь и пробный точечный заряд
На пробный заряд действует сила
= 
(1.10)
F 10= F 20. (1.11)
Модуль силы равен
(1.12)
Здесь r - расстояние от зарядов диполя до точечного заряда.
На линии, проходящей через центр диполя, перпендикулярно его оси и на большом
расстоянии r от его центра, в случае, когда выполняется условие 
величина напряженности электрического поля равна:
(1.13)
Справедливость закона (1.13) проверяется построением экспериментального линеаризованного графика
E = f 
(1.14)
2. Задание
2.1. Исследовать закономерности электростатического поля системы точечных зарядов.
2.2. Определить электрическую постоянную.
3. Порядок выполнения работы
Эксперимент 1. «Исследование электрического поля точечного заряда»
3.1.1. Зацепив стрелкой курсора (нажатием левой кнопки мыши), перемещайте заряд
q 1 и зафиксируйте его вблизи левой границы экспериментального поля в окне эксперимента.
3.1.2. Зацепив стрелкой курсора (нажатием левой кнопки мыши), перемещайте
движок регулятора величины заряда q 1
4.1 для рабочего места.
и установите величину заряда
q 1, указанную в Табл.
3.1.3. Заряд q 3
поместите под первым, а его величину установите равной
нулю, q 3 = 0. Значение заряда
q 2 установите равным q 2
= 1×10-8
Кл.
3.1.4. Перемещайте, зацепив стрелкой курсора (нажатием левой кнопки мыши)
заряд q 2
4.2.
вправо, устанавливая расстояния
r 12
между зарядами q 2
и q 1, указанные в Табл.
3.1.5. Измеренные в данных точках значения строку Табл.4.2.
F 12, запишите в соответствующую
3.1.6. Вычислите значения напряженности электрического поля по формуле
E = F 12.
| q 2 |
3.1.7. Вычислите и запишите в Табл. 4.2. значения величины
3.1.8.
| q 1 1 |
r 12
| 1 q 1 |
=4 pe
,
| q 1 |
r 12
3.1.9. Постройте график зависимости E = f 2 
c учетом погрешностей
3.1.10. Вычислите угловой коэффициент графика по формуле
(4.1.2)
.
3.1.11. Используя значение углового коэффициента и формулу (4.1.1), вычислите величину электрической постоянной e0
3.1.12. Проанализируйте график и результаты, сформулируйте выводы. Оформите отчет о лабораторной работе.
3.2 Эксперимент 2. «Исследование электрического поля диполя»
3.2.1. Зацепив стрелкой курсора (нажатием левой кнопки мыши), перемещайте движок регулятора величины q 3 и установите значение заряда q 3= - q 1.
3.2.2. Переместите заряд q 3 так, чтобы электрический момент диполя был
расположен вертикально, а расстояние между зарядами диполя стало равно l = r 13 = 10 см.
3.2.3. Установите заряд q 2
так, чтобы он находился на перпендикуляре к середине
расстояния между зарядами диполя, при этом r 12 = r 23.
3.2.4. Перемещайте, зацепив стрелкой курсора (нажатием левой кнопки мыши)
заряд q 2 вправо, устанавливая расстояния r 12 между зарядами q 2и q 1, указанные в Табл. 4.3
При этом следите за соблюдением условия r 12 = r 23.
3.2.5. Измеренные в данных точках значения строку Табл.4.3.
F 12
запишите в соответствующую
3.2.6. Вычислите значения напряженности электрического поля по формуле
| q 2 |
| r 12 |
l
. Полученные значения запишите в Табл. 4.3.
3.2.7. Вычислите и запишите в Табл. 4.3. значения величины 
3.2.8. Запишите формулу (1.13) в виде:
| q 1 × l |
r 12
3.2.9.Постройте график зависимости E = f 
с учётом погрешностей.
3.2.10. Вычислите угловой коэффициент графика по формуле
(4.2.2)
3.2.12Проанализируйте график и результаты, сформулируйте выводы. Оформите отчет о лабораторной работе
Расчёты
Таблица 4.1.
Данные для эксперимента