Тема 3. Основы концепций представления организации материи
Лабораторная работа № 3
Использование компьютерного моделирования для представления и оценки скалярных и векторных полей
Эксперимент 1. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных со стационарным электрическим полем.
Задание 1. Изучите, какой вид будут иметь картина силовых линий в случае, когда электрическое поле создается несколькими зарядами.
| Вывод: сила взаимодействия двух точечных зарядов всегда направлена по линии их соединяющей. Величина этой силы пропорциональна произведению зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. | 
|
Задание 2. Изучите, какой вид будут иметь потенциальная диаграмма (фигура 1), семейство эквипотенциальных линий (фигура 2) и картина линий напряженности поля (фигура 3), в случае, когда электростатическое поле создается одним положительным зарядом.
| Вывод: Судя по картине силовых линий электрическое поле точечного положительного заряда является неоднородным: векторы напряженности имеют разную ориентацию в пространстве. Линии напряженности электрического поля точечного положительного заряда представляют собой по радиусу расходящиеся прямые линии. Точечный положительный заряд является источником силовых линий. Если в какую-нибудь точку электростатического поля, созданного положительным зарядом, попадает пылинка (или молекула газа), имеющая положительный заряд, то за счет взаимодействия с электрическим полем она будет удалена на бесконечность. Если в какую-нибудь точку электростатического поля, созданного положительным зарядом, попадает пылинка (или молекула газа), имеющая отрицательный заряд, то за счет взаимодействия с электрическим полем она будет притянута к заряду на очень малое расстояние. По мере увеличения расстояния от точки нахождения заряда потенциал (энергия) точечного заряда убывает. На бесконечности потенциал точечного заряда стремиться к нулю. Эквипотенциальные линии положительного заряда представляют собой семейство окружностей. Потенциал положительного заряда меняется во всех направлениях одинаково. Если положительно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере удаления от точки расположения заряда потенциальная энергия ее будет уменьшаться, переходя в кинетическую энергию равноускоренного движения. Если отрицательно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере ее приближения к точке расположения заряда потенциальная энергия ее будет увеличиваться, за счет кинетической энергии равнозамедленного движения. | 
|
Задание 3. Изучите, какой вид будут иметь потенциальная диаграмма (фигура 1), семейство эквипотенциальных линий (фигура 2) и картина линий напряженности поля (фигура 3), в случае, когда электростатическое поле создается одним отрицательным зарядом.
| Вывод: Судя по картине силовых линий электрическое поле точечного положительного заряда является неоднородным: векторы напряженности имеют разную ориентацию в пространстве. По мере увеличения расстояния от точки нахождения заряда потенциал (энергия) точечного заряда убывает. На бесконечности потенциал точечного заряда стремиться к нулю. Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке пространства (поля) совпадает с направлением напряженности. Силовые линии электрического поля должны обязательно где-то начинаться или кончаться, либо уходить на бесконечность одним из своих концов. Точечный отрицательный заряд является стоком силовых линий. Если в какую-нибудь точку электростатического поля, созданного положительным зарядом, попадает пылинка (или молекула газа), имеющая положительный заряд, то за счет взаимодействия с электрическим полем она будет удалена на бесконечность. Если в какую-нибудь точку электростатического поля, созданного положительным зарядом, попадает пылинка (или молекула газа), имеющая отрицательный заряд, то за счет взаимодействия с электрическим полем она будет притянута к заряду на очень малое расстояние. Изменение потенциала при переходе от одной эквипотенциальной поверхности к другой наиболее быстро меняется в направлении, соединяющем эти поверхности. То есть самым коротким из всех направлений является тот путь,который перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности. Следовательно, наиболее быстро потенциал меняется вдоль линии, которая определяет напряженность. Семейство эквипотенциальных линий на плоскости – система кругов разных радиусов. Если положительно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере удаления от точки расположения заряда потенциальная энергия ее будет уменьшаться, переходя в кинетическую энергию равноускоренного движения. Если отрицательно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере ее приближения к точке расположения заряда потенциальная энергия ее будет увеличиваться, за счет кинетической энергии равнозамедленного движения. | 
|
Задание 4. Изучите, какой вид будут иметь потенциальная диаграмма (фигура 1), семейство эквипотенциальных линий (фигура 2) и картина линий напряженности поля (фигура 3), в случае, когда электростатическое поле создается двумя отрицательными и одним положительным зарядами.
| Вывод: Судя по картине силовых линий электрическое поле точечного положительного заряда является неоднородным: векторы напряженности имеют разную ориентацию в пространстве. Точку, в которой линии поля начинаются, называют исток. Точку, в которую сходятся все силовые линии, называют стоком. Если в какую-нибудь точку электростатического поля, созданного положительным зарядом, попадает пылинка (или молекула газа), имеющая положительный заряд, то за счет взаимодействия с электрическим полем она будет удалена на бесконечность. С пылинкой, имеющей отрицательный и положительный заряд в электростатическом поле с точки зрения попадания ее в бассейн аттракции, будет происходить притягивание. Потенциальная диаграмма имеет вид потенциальной ямы. потенциал системы зарядов на бесконечности стремиться к нулю. Семейство эквипотенциальных линий на плоскости – система кругов разных радиусов и прямоугольные отрезки. Изменение потенциала при переходе от одной эквипотенциальной поверхности к другой наиболее быстро меняется в направлении, соединяющем эти поверхности. То есть самым коротким из всех направлений является тот путь,который перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности. Следовательно, наиболее быстро потенциал меняется вдоль линии, которая определяет напряженность. Если положительно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере удаления от точки расположения заряда потенциальная энергия ее будет уменьшаться, переходя в кинетическую энергию равноускоренного движения. Если отрицательно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере ее приближения к точке расположения заряда потенциальная энергия ее будет увеличиваться, за счет кинетической энергии равнозамедленного движения. | 
|
Задание 5. Изучите, какой вид будут иметь потенциальная диаграмма (фигура 1), семейство эквипотенциальных линий (фигура 2) и картина линий напряженности поля (фигура 3), в случае, когда электростатическое поле создается двумя положительными и одним отрицательным зарядами.
| Вывод: Точку, в которой линии поля начинаются, называют исток. Точку, в которую сходятся все силовые линии, называют стоком. Судя по картине силовых линий электрическое поле точечного положительного заряда является неоднородным: векторы напряженности имеют разную ориентацию в пространстве. С пылинкой, имеющей отрицательный и положительный заряд в электростатическом поле с точки зрения попадания ее в бассейн аттракции, будет происходить притягивание. Потенциальная диаграмма имеет вид потенциальной ямы. потенциал системы зарядов на бесконечности стремиться к нулю. Семейство эквипотенциальных линий на плоскости состоит из системы кругов разных радиусов и прямоугольных отрезков. Изменение потенциала при переходе от одной эквипотенциальной поверхности к другой наиболее быстро меняется в направлении, соединяющем эти поверхности. То есть самым коротким из всех направлений является тот путь,который перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности. Следовательно, наиболее быстро потенциал меняется вдоль линии, которая определяет напряженность. Если положительно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере удаления от точки расположения заряда потенциальная энергия ее будет уменьшаться, переходя в кинетическую энергию равноускоренного движения. Если отрицательно заряженная пылинка (или молекула газа), попадает в какую-то точку электростатического поля, то по мере ее приближения к точке расположения заряда потенциальная энергия ее будет увеличиваться, за счет кинетической энергии равнозамедленного движения. | 
|
Задание 6. Изучите, какой вид будут иметь потенциальная диаграмма (фигура 1), семейство эквипотенциальных линий (фигура 2) и картина линий напряженности поля (фигура 3), в случае, когда электростатическое поле создается линейной системой (расположены на линии) положительных зарядов.
| Вывод: Судя по картине силовых линий электрическое поле точечного положительного заряда является неоднородным: векторы напряженности имеют разную ориентацию в пространстве. Точку, в которой линии поля начинаются, называют исток. Точку, в которую сходятся все силовые линии, называют стоком. С пылинкой, имеющей отрицательный и положительный заряд в электростатическом поле с точки зрения попадания ее в бассейн аттракции, будет происходить притягивание. Потенциальная диаграмма имеет вид потенциальной ямы. потенциал системы зарядов на бесконечности стремиться к нулю. Изменение потенциала при переходе от одной эквипотенциальной поверхности к другой наиболее быстро меняется в направлении, соединяющем эти поверхности. То есть самым коротким из всех направлений является тот путь,который перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности. Следовательно, наиболее быстро потенциал меняется вдоль линии, которая определяет напряженность. Семейство эквипотенциальных линий на плоскости состоит из системы кругов разных радиусов и прямоугольных отрезков. | 
|
Задание 7. Изучите, какой вид будут иметь потенциальная диаграмма (фигура 1), семейство эквипотенциальных линий (фигура 2) и картина линий напряженности поля (фигура 3), в случае, когда электростатическое поле создается линейной системой (расположены на линии) отрицательных зарядов.
| Вывод: Судя по картине силовых линий электрическое поле точечного положительного заряда является неоднородным: векторы напряженности имеют разную ориентацию в пространстве. Точку, в которой линии поля начинаются, называют исток. Точку, в которую сходятся все силовые линии, называют стоком. С пылинкой, имеющей отрицательный и положительный заряд в электростатическом поле с точки зрения попадания ее в бассейн аттракции, будет происходить притягивание. Потенциальная диаграмма имеет вид потенциальной ямы. потенциал системы зарядов на бесконечности стремиться к нулю. Изменение потенциала при переходе от одной эквипотенциальной поверхности к другой наиболее быстро меняется в направлении, соединяющем эти поверхности. То есть самым коротким из всех направлений является тот путь,который перпендикулярен к эквипотенциальной поверхности. Следовательно, наиболее быстро потенциал меняется вдоль линии, которая определяет напряженность. Семейство эквипотенциальных линий на плоскости состоит из системы кругов разных радиусов и прямоугольных отрезков. | 
|
Эксперимент 2. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных со стационарным магнитным полем.
Задание 8. Изучите, какой вид будут иметь картина магнитного поля в случае если его вихрем является петля с постоянным током (круговой ток в плоскости ху).
| Вывод: Семейство замкнутых силовых линий магнитной напряженности на плоскости имеет вид окружностей. Замкнутые линии нигде не начинаются и нигде не кончаются. Исследуемое магнитное поле кругового витка с током является соленоидальным. Пылинка, имеющая положительный заряд будет двигаться по окружности и притягиваться к центру. Пылинка, имеющая отрицательный заряд двигается по окружности, но отталкивается. | 
|
Эксперимент 3. Изучение посредством моделирования основных понятий, связанных полями, возникающими при движении жидкостей и газов.
Задание 9. Изучите, какой вид будут иметь картина поля потока воды. Обратите внимание, что для визуализации потоков и жидкостных струй используются маленькие конусы. Вы вероятнее всего еще в детстве по наитию исследовали течение ручейков, пуская по ним маленькие кораблики. Конусы – это нечто подобное при компьютерном моделировании.
| Вывод: Поле скоростей в потоке имеет стоки и истоки. Исследуемое поле скоростей в потоке жидкости является потенциальным. | 
|
Задание 10. Изучите, какой вид будут иметь картина визуального представления струи в пространстве.
| Вывод: Элементарная струйка характеризует состояние движения жидкости в данный момент времени; совокупность элементарных струек движущейся жидкости, проходящих через площадку достаточно больших размеров, называется потоком жидкости. | 
|
Задание 11. Изучите, какой вид будут иметь картина визуального представления совокупности элементарных струек движущейся жидкости в пространстве.
| Вывод: Вид визуального представления совокупности элементарных струек движущейся жидкости в пространстве. | 
|
Задание 12. Изучите, какой вид будут иметь совместная картина визуального представления совокупности элементарных струек и потоков движущейся жидкости с помощью конусов в пространстве.
| 
|
Задание 13. Изучите, какой вид будут иметь совместная картина визуального представления развития такого сложного явления как развитие атмосферных вихрей (типа смерча) в пространстве.
| Вывод: Картина визуального представления развития такого сложного явления как развитие атмосферных вихрей (типа смерча) в пространстве. | 
|
Задание 14. Изучите, какой вид будут иметь картина визуального представления развития смерча в ограниченном пространстве.
| Вывод: Мы видим картину визуального представления развития смерча в ограниченном пространстве. | 
|