11297

Исследование электростатического поля, лабораторная работа

Лабораторная работа

Физика

Исследование электростатического поля Указания содержат краткое описание измерительной установки и методику исследования электростатического поля. Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторно

Русский

2015-01-16

429 KB

50 чел.

Исследование электростатического поля

Указания содержат краткое описание измерительной  установки и методику исследования электростатического поля.

Методические указания предназначены для студентов инженерных специальностей всех форм обучения в лабораторном практикуме по физике (раздел «Электричество и магнетизм»).

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы:       1) построить эквипотенциальные поверхности и линии напряженности электростатического поля по экспериментальным данным;

  2) вычислить напряженность однородного   и неоднородного электростатического поля.

Оборудование: электролитическая ванна с двумя плоскими электродами; набор электродов разной формы (набор металлических тел разной формы); реостат (потенциометр); высокоомный вольтметр; металлический зонд; осциллограф; соединительные провода; источник постоянного тока; линейка; миллиметровая бумага; карандаш; водопроводная вода.

  1.  Теоретическая часть

Электрическое поле – одна из форм существования материи, посредством  которой осуществляется  взаимодействие электрически заряженных тел. Поле, созданное неподвижными  электрическими зарядами, называется электростатическим.

Для обнаружения и исследования поля вводят понятие «пробный   заряд». Пробный заряд - это единичный положительный точечный заряд, помещённый в исследуемое поле и не искажающий его. На пробный заряд , внесенный в электрическое поле, создаваемое точечным зарядом , действует кулоновская сила:

,                                    (1)

где   - вектор, проведенный от заряда   к заряду .         

Электростатическое поле в каждой точке характеризуется вектором напряженности  и потенциалом .

Напряженность поля   векторная физическая величина, численно равная силе , действующей на единичный пробный положительный заряд , помещенный в  данную точку поля:

                                      (2)

Напряженность измеряется в .

Потенциал поля   скалярная физическая величина, численно равная потенциальной энергии  единичного пробного положительного заряда, помещенного в данную точку поля:

Рис. 1

Рис. 2

                                                   (3)

Потенциал измеряется в вольтах -.

Напряженность и потенциал электростатического поля связаны между собой соотношением:

 (4)

где   производная потенциала  по нормали  к эквипотенциальной поверхности (рис.1). Она также называется градиентом потенциала, который  обозначается   

 (5)

Графически электростатические поля  изображаются с помощью силовых линий и эквипотенциальных поверхностей.

Силовой  линией электростатического поля или линией напряженности  называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает с направлением вектора напряженности  (сплошные линии на рис.2).      

Силовые линии обладают следующими свойствами:

– силовые линии электростатического поля не замкнуты  они начинаются на положительных и заканчиваются на отрицательных зарядах;

– линии непрерывны и нигде не пересекаются (т.к. их пересечение означало бы отсутствие определенного направления напряженности электрического поля в данной точке);

– густота линий выбирается так, чтобы количество линий, пронизывающих единицу поверхности площадки, перпендикулярной к линиям, было равно численному значению (модулю) вектора .

– общее число силовых линий, пересекающих некоторую поверхность,  иначе называют потоком вектора напряжённости поля.

На рис. 3 приведены силовые линии точечных положительного и отрицательного зарядов и электрического диполя (системы двух зарядов).

Эквипотенциальная поверхность – это геометрическое место  точек равного потенциала (пунктирные линии на рис. 2).

Силовые линии всегда перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям.

Электростатическое поле называется однородным, если в любой его точке вектор напряжённости  имеет постоянную величину и направление (рис. 4). В противном случае, оно называется неоднородным (рис. 5).

                                                        

      

Если поле создается системой зарядов, то  напряженность в данной точке поля равна:

          (6)

где  – число зарядов, создающих систему. Это выражение называется принципом суперпозиции полей: напряженность результирующего поля, создаваемого системой зарядов, равна геометрической сумме напряженностей полей, создаваемых в данной точке каждым зарядом в отдельности.

2. Метод измерений и экспериментальная установка

При конструировании электронных ламп, конденсаторов, электронных линз и других приборов часто требуется знать распределение электрического поля в пространстве между электродами сложной формы. Аналитический расчет поля удается только при самых простых конфигурациях электродов и в общем случае невыполним.

Для исследования сложных электростатических полей используется метод электролитической ванны (метод зондов), в котором экспериментально определяется положение линий равного потенциала, что позволяет построить силовые линии поля и найти напряженность в различных его точках. В этом случае прямое изучение электростатического поля в вакууме заменяется изучением его точной,  но более удобной моделью. Оказывается, что при некоторых условиях распределение потенциалов в среде, по которой течет ток между установленными в ней электродами, может быть сделано тождественным с распределением потенциалов между теми же электродами, когда между ними имеется электростатическое поле в вакууме или в однородном диэлектрике.

Это связано с тем, что в однородном проводнике при прохождении по нему постоянного тока нет объемных зарядов.

Установка состоит из плексигласовой ванны  (рис.6) с горизонтальным плоским дном и двумя металлическими электродами  и , между которыми исследуется поле.

На электроды подается постоянный ток. Ванна заполняется водопроводной водой.

Для изучения распределения потенциалов используется зонд . Он изготовлен в виде металлического щупа с острием и соединен через вертикальные пластины осциллографа  с движком потенциометра . Если зонд установить в некоторую точку в ванне, чтобы разность потенциалов  между электродом   и этой точкой была такой же, как и между точками   и , то напряжение  на вертикальных пластинах развертки осциллографа  будет равно нулю. При этом на экране осциллографа будет видна тонкая горизонтальная  линия.

Для нахождения эквипотенциальной поверхности надо отметить ряд положений зонда, соответствующих одному и тому же показанию вольтметра  и нулевому напряжению на вертикальных пластинах осциллографа (тонкой горизонтальной  линии на экране).

3. Порядок выполнения работы

Задание 1. Изучение однородного электростатического поля. 

  1.  При выполнении работы необходимо следить, чтобы электроды не оказались замкнутыми накоротко. Во избежание этого категорически запрещается зондом касаться электродов.
  2.  Перенести на чистый лист миллиметровой бумаги оси координат, задающие симметрию расположения электродов  электролитической ванны. На этот же лист нанести электроды  и  при фиксированном их расположении относительно осей  и . Приготовить два листа миллиметровой бумаги для графического изображения исследуемых полей (однородного и неоднородного).
  3.  Собрать цепь по схеме, изображенной на рис. 6, и установить движок потенциометра  примерно на середине.
  4.  Налить в ванну воды столько, чтобы она равномерно покрыла поверхность ванны тонким слоем.
  5.  Включить источник питания, вольтметр и осциллограф, дождаться появления на экране осциллографа сигнала в виде горизонтальной линии.
  6.  По заданию преподавателя установить на вольтметре значение потенциала . Зондом, опущенным в ванну вертикально, найти точку, которой соответствует на экране осциллографа узкая линия сигнала. Координаты этой точки нанести на лист миллиметровой бумаги или записать в таблицу (на усмотрение преподавателя). Для этого же  найти аналогично еще 4 точки.
  7.  Соединить найденные точки в линию, указав возле нее значение потенциала (первая эквипотенциальная поверхность).
  8.  Пункты 6 и 7 повторить для   и , изменяя потенциал на 1-2 В  для  каждой  эквипотенциальной  поверхности.
  9.  По построенным эквипотенциальным  поверхностям изобразить силовые линии напряженности.
  10.  Рассчитать напряженность электрического поля по формуле:

где   разность потенциалов между выбранными эквипотенциальными поверхностями; - расстояние между ними.

  1.  Значения напряженности в разных точках поля записать на лист миллиметровой бумаги.

Задание 2. Изучение неоднородного электростатического поля.

  1.  По указанию преподавателя взять металлическое тело из  набора электродов, нанести форму и координаты данного тела на второй лист миллиметровой бумаги.
  2.  Поместить металлическое тело в ванну с водой симметрично между электродами  и . (По усмотрению преподавателя электрод  можно заменить  электродом из набора).
  3.  Повторить п. п. 6-9 из задания 1, только для каждого потенциала снять 8-10 точек. Для более наглядного изображения поля взять 7-8 значений потенциала .
  4.  Повторить п. п. 10-11 из задания 1.
  5.  Сделать выводы о влиянии металлического тела на первоначально исследованное электростатическое поле.

Таблица

п/п

···

1

2

3

·

·

·

8

Контрольные вопросы

  1.  Какое поле называется  электростатическим?
  2.  Что называется пробным зарядом?
  3.  Запишите закон Кулона.
  4.  Назовите основные характеристики электростатического поля и дайте их определения.
  5.  Что такое линия напряженности и эквипотенциальная поверхность?
  6.  Какая существует связь между напряженностью электростатического поля и потенциалом?
  7.  Докажите, что линии напряжённости электростатического поля перпендикулярны к эквипотенциальным поверхностям.
  8.  Какое электростатическое поле называется однородным, неоднородным?
  9.  Приведите примеры графического изображения электростатических полей с помощью линий напряжённости.
  10.  Расскажите об экспериментальном методе исследования электростатических полей, применяемом в данной работе.

Техника безопасности

  1.  К работе с установкой допускаются лица, ознакомленные с ее устройством и принципом действия.
  2.  При выполнении работы необходимо следить, чтобы электроды не оказались замкнутыми накоротко, во избежание этого категорически запрещается зондом касаться электродов.

Рекомендуемая литература

  1.  Трофимова Т. И. Курс физики / Т.И. Трофимова. – М.: Высш. шк., 2004
  2.  Электростатика. Постоянный электрический ток: учеб. пособие.  /B.C. Кунаков, И.В. Мардасова, О.М. Холодова, В.А. Тызыхян. – Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2010. – 66 с.
  3.  Яворский Б.М. Справочник по физике / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. – М.:Наука, 2006
  4.  Калашников С.Г. Электричество. 6-е изд., стереот. / С.Г. Калашников. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 624 с.
  5.  Физический практикум под редакцией Ивероновой В.И. – М.: Государственное издательство физико-математической литературы, 1962.

Составители: Ковалёва В.С., Литвищенко В.Л., Попова И.Г., Фролова Н.Н.

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Методические указания к лабораторной работе №1 по физике

(Раздел «Электричество и магнетизм»)

Редактор Т.В. Колесникова

________________________________________________________

В печать 15.03.2012.

Объем 0,68 усл.п.л. Офсет. Формат  60x84/16.

Бумага тип №3.    Заказ №        Тираж          экз. Цена свободная

________________________________________________________

Издательский центр ДГТУ

Адрес университета и полиграфического предприятия:

344000, г. Ростов-на-Дону, пл. гагарина, 1.


Рис.
3. Силовые линии полей, создаваемых различной комбинацией точечных зарядов

+

Рис. 5. Силовые линии               неоднородного электростатического поля

Рис. 4.  Силовые линии однородного электростатического поля

Рис. 6


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

79489. Модели деятельности школьного психолога 31.89 KB
  Деятельность психолога организуется по запросу и на основании плана утвержденного администрацией школы. Цели деятельности – сопровождение процесса психологического развития учащихся посредвтом создания определенных условий в образовательной среде школы. Задачи: Отслеживание результатов развития учащихся на различных этапах обучения; Создание условий для оказания психологической помощи учащимся; Осуществление психологического анализа внутришкольных образовательных программ технологий с точки зрения их соответствия индивидуальным и...
79490. Психолог - куратор 30.81 KB
  Основной принцип организации работы – осуществление комплексного психологопедагогического сопровождения определенной группы учащихся 56 классов. Цели деятельности – комплексное психологопедагогическое сопровождение учащихся и ученических коллективов в образовательном процессе. Задачи: Создание условий для реализации психологических возрастных и индивидуальноличностных возможностей учащихся; Оказание комплексной психологопедагогической помощи учащимся испытывающим трудности в обучении и развитии; Повышение психологической...
79491. Взаимодействие психолога с администрацией образовательного учреждения 27.81 KB
  Взаимодействие психолога с администрацией учебного заведения проходит в нескольких направлениях но все они имеют целью оптимизацию учебного процесса создание комфортных условий учебной и трудовой деятельности учащихся. Активное взаимодействие психолога с заместителем по воспитательной работе предполагает психологическое сопровождение тех или иных воспитательных мероприятий работу с детьми группы риска развивающие мероприятия. Взаимодействие с заместителем директора по учебной работе предполагает оказание помощи в составлении наиболее...
79492. Взаимодействие психолога с членами педагогического коллектива 29.39 KB
  Решение проблем эффективного сопровождения школьников осуществляется в процессе таких совместных форм работы как: Психологопедагогический консилиум; Групповые и индивидуальные консультации по итогам консилиума; круглые столы по итогам психологопедагогической работы в определенной параллели; Индивидуальные консультации по единичным запросам. Профессиональное развитие педагогов выработка общего языка и общего смысла работы с детьми осущестляется в рамках такой коллегиальной работы как: Методические семинары с...
79493. Взаимодействие психолога с родителями 32.33 KB
  Работа с родителями строится в направлениях: психологическое просвещение; социальнопсихологическое консультирование по проблемам обучения и личностного развития детей; коррекция детскородительских отношений; специальное обучение родителей тренинг родительской эффективности. Психологопедагогическое консультирование родителей проводимое по запросу родителей или инициативе психолога может выполнять различные функции: Информирование родителей о школьных проблемах ребенка. Психологическая поддержка родителей в случае обнаружения серьезных...
79495. Текущая и отчетная документация ПСО учреждения 34.5 KB
  План работы педагога-психолога форма. При составлении плана необходимо учитывать: Цели и задачи образовательного учреждения; Приоритет прав и интересов ребенка Нормы расхода времени на каждый вид деятельности План работы включает Название работы Условия проведения Ответственный Срок проведения Предполагаемый результат План работы составляется на периоды месяц учебная четверть и т.Журнал учета групповых форм работы форма 4. К групповым формам работы относят: Тренинг с детьми или взрослыми Коррекционные или развивающие занятия с...
79496. Психологическое просвещение как вид деятельности психолога образования 31.27 KB
  Основной смысл психологического просвещения заключается в том чтобы: 1 знакомить воспитателей учителей и родителей с основными закономерностями и условиями благоприятного психического развития ребенка; 2 популяризировать и разъяснять результаты новейших психологических исследований; 3 формировать потребность в психологических знаниях желание использовать их в работе с ребенком или в интересах развития собственной личности; 4 знакомить учащихся с основами самопознания самовоспитания; 5 достичь понимания необходимости практической...
79497. Психопрофилактическое направление в деятельности педагога-психолога 31.23 KB
  Психопрофилактика специальный вид деятельности психолога направленный на сохранение укрепление и развитие психологического здоровья детей. Психопрофилактика предполагает: Ответственность за соблюдение в образовательных учреждениях психологических условий необходимых для полноценного психического развития и формирования личности на каждом возрастном этапе: Своевременное выявление таких особенностей ребенка которые могут привести к определенным сложностям отклонениям в интеллектуальном и эмоциональном развитии в поведении и отношениях;...