Обработка результатов измерений

Выполнение измерений

 

1. На лист миллиметровой бумаги нанесите контуры электродов (в натуральную величину) и координатную сетку, идентичную имеющейся на установке.

2. Соберите электрическую схему, показанную на рис. 3, подключив входы блока моделирования полей согласно рис. 4.

8

V

1

2

3

4

5

6

7

Рис. 3. Электрическая схема исследования электростатического поля:

1 – стрелочный вольтметр;

2, 4 – электроды;

3 – зонд;

5 – слабопроводящая пластина;

6 – входы для подключения блока моделирования полей (рис. 4);

7 – блок моделирования полей;

8 – регулируемый источник постоянного напряжения «0…+15В»

 

V

1

2

3

4

5

–

+

Щуп

Рис. 4. Входы для подключения блока моделирования полей:

+U

1, 3 – входы для подключения регулируемого источника постоянного напряжения «0…+15В»;

2 – вход для подключения зонда;

4, 5 – входы для подключения стрелочного вольтметра

 

3. Включите кнопкой «Сеть» питание блока генераторов напряжения. Нажмите кнопку «Исходная установка» (поз. 19, см. рис. 1 прил. 1).

4. Кнопками установки напряжения «0…+15В» (поз. 14, см. рис. 1 прил. 1), установите потенциал другого электрода φ = 5В, контролируя его вольтметром. Значения потенциалов электродов укажите на картине поля. Таким образом, найдены две эквипотенциальные поверхности.

5. Касаясь электродов зондом, определите, какой электрод имеет нулевой потенциал φ₀.

6. Экспериментально определить четыре эквипотенциальные линии с потенциалами φ = 1В; 2В; 3В; 4В.

7. Для определения какой-либо эквипотенциальной линии необходимо перемещать зонд по пластине, находя точки с одинаковым потенциалом и записывая их координаты (х, у). Определить координаты не менее восьми точек, имеющих тоже значение потенциала, и нанести их на миллиметровку.

8. Соедините точки одинакового потенциала плавной линией. На картине поля укажите значение потенциала данной линии.

9. Проведите измерения по пп. 7, 8 для каждой поверхности равного потенциала φ _i.

10. Перемещая зонд от одного электрода к другому вдоль средней линии между электродами, снять зависимость потенциала от расстояния φ = φ(х) при х < 0;
0 ≤ х ≤ d; х > d, где х = 0, х = d – координаты электродов. По результатам измерений построить график зависимости φ(х).

 

Обработка результатов измерений

 

1. По результатам измеренийпостроить график зависимости потенциала от расстояния φ = φ(х) при х < 0; 0 ≤ х ≤ d; х > d,где х = 0, х = d – координаты электродов.

2. Графическим дифференцированием рассчитать зависимость проекции поля Е на ось х Е_х при х < 0; 0 ≤ х ≤ d; х > d и построить ее график.

3. По результатам измерений построить картину эквипотенциальных и силовых линий электростатического поля плоского конденсатора, образованного двумя бесконечными плоскостями.

4. Используя значение площади пластин S = 1 м² и пренебрегая искажением поля на их краях, рассчитать следующие характеристики: q, σ – заряд и поверхностную плотность заряда на пластине, С – емкость конденсатора, энергию W и объемную плотность энергии ω электростатического поля, силу F притяжения пластин. Считая, что в моделируемом конденсаторе диэлектрик отсутствует, диэлектрические свойства слабо проводящей пластины не учитывать.

5. Рассчитать поток  через плоскую поверхность (S = 0,1 м²), расположенную внутри конденсатора и наклоненную к силовым линиям под углом α = 30^о.

Задание 2. Исследование электрического поля плоской пластины и точечного источника.

1. Установить вместо слабопроводящей пластины с двумя параллельными электродами рис. 3 пластину с линейным и точечным электродами.

2. Определить экспериментально и построить четыре эквипотенциальные поверхности (пункты 6, 7, 8, 9 стр. 4 задания).

Задание 3. Исследование электрического поля двух точечных источников.

1. Установить слабо проводящую пластину с двумя точечными электродами.

2. Снять и построить четыре эквипотенциальные поверхности (пункты 6, 7, 8, 9 стр. 4 задания).

 

Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение эквипотенциальной поверхности. Каковы ее свойства?

2. Назовите свойства силовых линий поля.

3. От чего зависит сила, действующая на заряд в электростатическом поле
(ЭСП)?

4. Запишите уравнение, связывающее величины  и φ.

5. Как направлены векторы , ,  и ускорения заряженной частицы , движущейся в ЭСП?

6. Как проводят эквипотенциальные и силовые линии на картине исследуемого поля?

7. Как определяют направление силовых линий, используя свойства градиента потенциала?

8. Каким образом в работе находят напряженность в точках исследуемого ЭСП?

9. Укажите назначение мультиметра в электрической цепи.

 

Литература

 

1. Савельев И.В. Курс физики, кн.2. Электричество и магнетизм. – М.: Высшая школа, 2003. – §§ 1.5, 1.6.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003. – §§ 79, 81, 84, 85, 86.

Приложение 1

 

ЛАБОРАТОРНЫЙ КОМПЛЕКС

«ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ»

 

Комплекс состоит из блока генераторов напряжений, наборного поля, блока мультиметров, блока моделирования полей, набора миниблоков и набора слабо проводящих пластин с электродами.

Общий вид блока генераторов напряжений показан на рис. 1. Блок состоит из генератора напряжений специальной формы и генератора постоянных напряжений (регулируемый источник постоянного напряжения и два нерегулируемых источника стабилизированного постоянного напряжения).

Рис. 1. Блок генераторов напряжений:

1 – индикатор перегрузки генератора сигналов специальной формы;

2 – индикатор перегрузки регулируемого источника постоянного напряжения «0... +15 В»;

3 – индикатор перегрузки стабилизированного напряжения «+15 В»;

4 – индикаторы перегрузки стабилизированного напряжения «-15 В»;

5 – индикатор частоты;

6 – индикатор выбранной формы сигнала;

7 – выход синхронизации осциллографа (прямоугольные импульсы «+5 В»);

8 – кнопки переключения формы сигнала:

 – синусоидальная;

 – биполярные импульсы «-15 В… +15 В»;

 – униполярные импульсы +10 В;

9 – выходной сигнал генератора сигналов специальной формы;

10 – кнопки регулировки амплитуды сигнала генератора сигналов специальной формы;

11 – кнопки регулировки частоты от 50 Гц до 20000 Гц;

12 – регулируемое постоянное напряжение «0… +15В», максимально допустимый ток 0,3 А;

13 – нулевой выход (земля);

14 – кнопки установки постоянного напряжения;

15 – индикатор постоянного напряжения на выходе регулируемого источника «0… +15 В»;

16 – стабилизированное напряжение «+15 В», максимально допустимый ток 0,3А;

17 – нулевой выход (земля);

18 – стабилизированное напряжение «-15 В», максимально допустимый ток 0,3 А;

19 – кнопка исходной установки блока генераторов:

выходной сигнал источника постоянного напряжения (12) – 0 В;

выходной сигнал генератора сигналов специальной формы – синусоидальный, частота 500 Гц, амплитуда выходного сигнала (9) 0 В;

20 – выключатель питания («сети»).