ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Муромский институт (филиал)

федерального государственного бюджетного образовательного учреждения

высшего профессионального образования

«Владимирский государственный университет

Имени Александра Григорьевича и

Николая Григорьевича Столетовых»

 

Кафедра: «ФПМ»

Дисциплина: Физика

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5.10

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СИЛОВОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СПЛОШНЫХ СРЕДАХ.

 

Утверждена на методическом семинаре кафедры ФПМ

 

Зав.кафедрой _____________

 

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

1. Сборку и разборку схемы производить только при отключенном источнике питания.

2.Не включать собранную схему,пока не изучите инструкцию по работе и не получите на это разрешение преподавателя или лаборанта.

3. Схема должна находиться под напряжением только во время регулировки и снятия показаний с приборов. КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩАЕТСЯ оставлять схему под напряжением без присмотра.

4. После окончания работы отключить источник питания, а затем разобрать схему и при­вести в порядок рабочее место.

 

Лабораторная работа № 5.10

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ СИЛОВОЙ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ В СПЛОШНЫХ СРЕДАХ.

ПРИБОРЫИ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ: Блок питания, ванна, вольтметр.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Исследование характеристик электростатического поля в сплошных средах и установление взаимосвязи между ними.

ВВЕДЕНИЕ

Силовой характеристикой электростатического поля является напряженность. Напряженность электростатического поля в данной точке есть физическая величина определяемая силой, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту точку поля:

E=F/g (1)

Направление вектора Е совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд.. Из формулы (1) следует,что единица напряженности электростатического поля Н/Кл: 1Н/Кл напряженностъ такого поля, которое действует на точечный заряд 1Кл с силой 1Н. 1Н/Кл=1В/м, где В (вольт) — единица потенциала электростатического поля. Графически электростатическое поле изображают с помощью линий напряженности (силовых линий), которые проводят так, чтобы касательные к ним в каждой точке пространства совпадали с вектором напряженности в данной точке поля. Для однородного поля (когда вектор напряженности в любой точке постоянен величине и направлению) линии напряженности параллельны вектору напряженности.

Если поле создается точечным зарядом,то линии напряженности радиальные прямые, выходящие из заряда, если он положителен и входящие в него, если заряд отрицателен. С помощью линий напряженности можно характеризовать не только направление,но и величину напряженности электростатического поля,для этого условились их проводить с определенной густотой. Число линий напряженности пронизывающих единицу поверхности,перпендикулярной линиям напряженности, должно быть равно модулю вектора Е.Энергетической характеристикой электростатического поля является потенциал φ. Потенциал φ в какой-либо точке электроста­тического поля есть физическая величина определяемая потенциальной энергией единичного положительного заряда помещенного в эту точку:

φ = W/g (2)

Если заряд из произвольной точки перемещать за пределы поля, т.. е. В бесконечность, где по условию потенциал =0, то работа сил электростатического поля:

A∞=g *φ

φ =A∞/g (3)

Таким образом,потенциал - физическая величина.определяемая работой по перемещению единичного положительного заряда при условии его удаления из данной точки в бесконечность. Эта работа численно = работе совершаемой внешними силами (против сил электростатического поля) по перемещению единичного положительного заряда из бесконечности в данную точку поля. Из (2) следует, что единица потенциала - вольт.

1В - есть потенциал такой точки поля, в которой заряд в 1 Кл обладает потенциальной энергией 1Дж:

1В=1Дж/Кл

Если поле создается несколькими зарядами,то потенциал поля системы зарядов == алгебраической сумме потенциалов полей всех этих зарядов. Когда о потенциале в данной точке поля, подразумевают разность потенциалов между этой точкой и другой точкой, потенциал который условились считать равным нулю. Взаимосвязь между силовой характеристикой поля -

-напряженностью Е и энергетической характеристикой – потенциалом φ имеет вид:

Е = -g rаd φ или Е =- D φ

Т.е. напряженность поля = градиенту потенциала со знаком минус. Этот знак указывает, что вектор Е направлен в сторону убывания потенциала. Для графического изображения распределения потенциала электростатического поля пользуются эквипотенциальными по­верхностями (это поверхности во всех точках, в которых потенциал φ имеет одно и тоже значение). Линии напряженности всегда нормальны к эквипотенциальным поверхностям. Эквипотенциальные поверхности вокруг каждой системы зарядов можно провести бесчисленное множество.Однако их обычно проводят так, чтобы разности потенциалов между двумя любыми соседними эквипотенциальными поверхностями были одинаковы. Тогда их густота наглядно характеризует напряженность поля в разных точках. Там, где поверхности расположены гуще, напряженность поля больше. Зная расположение линий напряженности поля, можно построить эквипотенциальные поверхности, и наоборот, по известному расположению эквипотенциальных поверхностей можно определить в каждой точке поля величину и направление напряженности поля.Настоящие указания к лабораторной работе являются краткими, они дают возможность получить, допуск к работе и выполнить ее.

ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Экспериментальная установка рис. 1 состоит из ванны 1,которая заполняется водой;

2-х металлических пластин 2 расположенных параллельно друг другу вдоль стенок ванны;

выпрямителя (ВС-24 М)3; милливольтметра 4; щупа 5 и электродов различной конфигурации б.

Схемы подключения экспериментальной установки изображены на рис. 1 ирис. 2. Первые три задания выполняются по схеме, представленной на рис. 1. Между металлическими пластинами, погруженными в ванну с водой, создается электрическое поле. Для этой цели пластины подключают к выпрямителю, одну к (+), другую к (-), выпрямитель включают в сеть с напряжением 220 В и с помощью регулятора напряжений создают выходное напряжение до 12 В.

Для выполнения заданий №4,5, 6 собирается установка по схеме, представленной на. рис. 2. С выпрямителя на обе пластины подается положительный потенциал, а на электрод -отрицательный потенциал.В процессе работы пользуются электродами различной конфигурации.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Собрать схему рис.1 и рис.2 и установить выходное напряжение источника питания до 12 В.

2. Принять за нуль отсчет координаты положительного электрода.

3. Выполнить нижеприведенные задания.

4. Обобщить результаты исследований, сделать выводы.

ЗАДАНИЕ 1

I. Исследовать зависимость разности потенциалов от расстояния между пластинами в отсутствии электрода между ними.

2. Результаты свести в таблицу и построить график.

 

Х, см						………
D φ, В
Y = const

ЗАДАНИЕ 2

1.Исследовать зависимость разности потенциалов от расстояния вдоль пластин при 4- х фиксированных значениях Х (от расстояния между пластинами) в отсутствии электрода между пластинами.Значения выбрать равными Х = 6 CM,12 CM,18 CM,24 CM.

2.Результаты занести в таблицу:

Y, см

D φ, В

 

3.Построить графики А φ =f(y) для 4 -х значений X.

ЗАДАНИЕ 3

1.Воспользовавшись данными, полученными в задании 2 построить сетку силовых линий электростатического поля.

ЗАДАНИЕ 4

1.Поместить между пластинами в ванну с водой металлический электрод, собрать схему согласно

рис. 2.

2.Выполнить задания 1 и 2 для данного случая.

ЗАДАНИЕ 5

1.Построить эквипотенциалы для электродов различной конфигурации,для этого на обе пластины подать положительный потенциал,а на электрод - отрицательный.Электрод поместить в точку на указанной плоскости по указанию преподавателя.

2. С помощью щупа определить координаты точек Х,Y имеющих один и тот же потенциал. Результаты занести в таблицу:

Х,см

y,cm

D φ =const

Построить для каждого электрода не менее з-х эквипотенциалъностей.

ЗАДАНИЕ 6

1.Воспользовавшись данными, полученными в задании 5, построить сетку силовых линий для электродов различной конфигурации.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какие поля называют электростатическими?

2.Как обнаружить электростатическое поле?

3. Как графически изобразить электростатическое поле?

4.Изобразить электростатическое поле создаваемое точечным зарядом.

5. Что называется потоком вектора напряженности электростатического поля? 6. В чем заключается принцип суперпозиции полей?

7. Сформулируйте теорему Гаусса для электростатического поля в вакууме.

8. Рассчитайте по теореме Гаусса напряженность электростатического поля:

а) равномерно заряженной плоскостью;

б) 2-х бесконечных параллельных разноименно заряженных плоскостей;

в) равномерно заряженной сферической поверхности;

г) объемно заряженного шара;

д) равномерно заряженного бесконечного цилиндра.

9. Изобразить эквипотенциальные поверхности в случае,когда электростатическое поле созда­ется точечным зарядом.

10. Какая взаимосвязь существует между напряженностью электростатического поля и потенциалом?

11. Изобразить эквипотенциальные поверхности в случае, когда электростатическое поле создается фигурным электродом.

 

Литература

1. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики – М.: Высшая школа, 1989.

2. Савельев И.В. Курс общей физики, т.1 – М.: Наука, 1989.