Федеральное агентство железнодорожного транспорта красноярский институт железнодорожного транспорта
 Скачать 1.78 Mb.
|
|
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА КРАСНОЯРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА – ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО «И РКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ » в г. Красноярске Учебно-методический комплекс дисциплины Л.А. Кузовникова Е.А. Денисова Н.Г. Замкова ФИЗИКА ВИРТУАЛЬНЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Учебное пособие ЧАСТЬ 2. Раздел 3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО Красноярск КрИЖТ ИрГУПС 2011 УДК 537.2+537.6+537.8 К 89 РЕЦЕНЗЕНТЫ: А. Н. В ТЮРИН , д-р физ.-мат. наук, зам. директора Института физики СО РАН; М.С. Ж АНДУН , канд. физ.-мат. наук, ст. преп. каф. «Техническая физика» Сибирского государственного аэрокосмического университета им. М.Ф. Решетнева В.В. С МЕЛЫЙ , канд. техн. наук, зав. каф. «Общепрофессиональные дисциплины» КрИЖТ ИрГУПС. УДК 537.2+537.6+537.8 К 89 Кузовникова, Л.А.Физика :Виртуальный лабораторный практикум. Часть 2. Раздел 3. Электричество. / Л.А. Кузовникова, Е.А. Денисова, Н.Г. Замкова. – Красноярск : КрИЖТ ИрГУПС, 2011. - 81 с. Настоящее издание является частью учебно-методического комплекса по дисциплине «Физика», включающего учебную программу, конспект лекций, виртуальный лабораторный практикум. Настоящий лабораторный практикум содержит краткие теоретические сведения, методику проведения лабораторных работ с компьютерными моделями и порядок обработки результатов. Даны вопросы и задания для самоконтроля. Материал пособия размещен в последовательности, обеспечивающей оптимальную работу студентов над выполнением лабораторных работ, которые предусмотрены учебными планами специальностей очной и заочной формы обучения: 190401 – «Электроснабжение железных дорог», 190402 – «Автоматика, телемеханика и связь», 190302 – «Вагоны», 190701 - "Организация перевозок и управление на транспорте " , 270204 - "Строительство железных дорог, путь и путевое хозяйство ", 654700 - "Информационные системы", 190303 – «Электрический транспорт железных дорог»,. Рекомендовано к изданию методическим советом КрИЖТ ИрГУПС Печатается в авторской редакции Л.А. Кузовникова, Е.А. Денисова, Н.Г. Замкова, 2011 Красноярский институт железнодорожного транспорта, 2011 3 С одержание Введение .............................................................................................. 4 Порядок выполнения лабораторных работ по физике ............. 5 Пример оформления первой страницы (титульного листа) отчета: ............................................................................................. 6 Требования к оформлению персонального конспекта .............. 7 Требования к графику ................................................................... 7 Раздел 3. Электричество .................................................................. 9 Лабораторная работа № 3.1 Электрическое поле точечных зарядов ............................................................................................ 9 Лабораторная работа № 3.2 Движение заряженной частицы в электрическом поле .................................................................... 23 Лабораторная работа № 3.3 Исследование зависимости мощности и к.п.д. источника постоянного тока от внешней нагрузки ........................................................................................ 31 Лабораторная работа № 3.4 Цепи постоянного тока .............. 41 Библиографический список .......................................................... 49 Приложения ...................................................................................... 51 Некоторые физические константы ............................................ 51 Приставки и множителидля образования десятичных кратных и дольных единиц ........................................................................ 51 Греческий алфавит. ..................................................................... 51 4 Введение Данный сборник содержит описания к лабораторным работам, в которых используются компьютерные модели, разработанные фирмой «Физикон». Для начала работы необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, когда ее маркер расположен над эмблемой сборника компьютерных моделей. После чего в появившемся на экране монитора перечне разделов физики выбрать раздел, в котором находится используемая в лабораторной работе компьютерная модель. Для этого необходимо дважды щелкнуть левой кнопкой мыши, установив ее маркер над названием выбранного раздела. Для запуска необходимой компьютерной модели подведите курсор мыши к её названию на экране монитора и нажмите дважды кнопку мыши. Кнопки вверху картинки являются служебными. Предназначение каждой проявляется, когда маркер мыши располагается над нею в течение 1-2 секунд (без нажатия кнопок мыши). Кнопка с двумя вертикальными чертами «║» служит для остановки эксперимента, а рядом расположенные кнопки « », «» – соответственно для шага и продолжения работы. Во внутреннем окне открытой Вами компьютерной модели сверху расположены служебные кнопки. Кнопка с изображением страницы служит для вызова теоретических сведений. Перемещать окна можно, зацепив (нажав и удерживая левую кнопку) мышью заголовок окна (имеющий синий фон). Закрытие окна теории обеспечивается нажатием кнопки с крестом в правом верхнем углу внутреннего окна. 5 Порядок выполнения лабораторных работ по физике Этап 1. Домашняя подготовка 1. Для изучения сущности физических явлений и законов, которые предстоит исследовать в лабораторной работе, необходимо внимательно просмотреть содержание конспектов лекций по теме лабораторной работы, а также учебные пособия. 2. Оформить свой персональный конспект для допуска к ЛР (готовится дома на листах формата А4). 3. Выполнить Задания для допуска – вывод формул, решение задач. Этап 2. Допуск к лабораторной работе. 1. Для допуска к выполнению измерений по лабораторной работе необходимо наличие персонального конспекта ЛР, выполненного Задания для допуска и результатов проведения Тестирования компьютерной модели. 2. Преподаватель допускает студента к работе, ставит свою подпись в конспекте студента (графа ДОПУСК в табличке на обложке) и определяет номер варианта задания. Этап 3. Экспериментальная часть 1. Выполнение наблюдений и измерений опытов в соответствии с методическим руководством и указаниями преподавателя. 2. Заполнение таблиц измерений для отчета о проделанной работе. 3. Преподаватель проверяет таблицу измерений студента и ставит свою подпись в конспекте студента. Таблицы должны быть заполнены чернилами. Для всех величин в таблицах должна быть записана соответствующая единица измерения. Этап 4. Обработка полученных результатов 1. Вычисление значений расчетных величин по рабочим формулам (расчеты подробно записываются в отчете после написанной формулы). 2. Построение графиков исследуемых зависимостей. Графики должны удовлетворять всем требованиям, приведенным ниже. 3. Расчеты необходимых величин по графикам. 4. Написание вывода по полученным результатам. Этап 5. Защита лабораторной работы Письменные ответы на вопросы для самостоятельной работы. Выполнение Дополнительных заданий к лабораторной работе. Предоставление полностью готового оформленного отчета о работе. Собеседование с преподавателем об изученных физических явлениях и законах, полученных экспериментальных результатах (коллоквиумы). 6 Пример оформления первой страницы (титульного листа) отчета: ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА КРАСНОЯРСКИЙ ИНСТИТУТ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА – ФИЛИАЛ ФГБОУ ВПО «И РКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ » в г. Красноярске Кафедра «Общепрофессиональные дисциплины» Лабораторная работа №__ (Название) Выполнил: студент группы ____ ФИО______________ Проверил: Преподаватель ФИО______________ Допуск Измерения Зачет Красноярск год 7 Требования к оформлению ПЕРСОНАЛЬНОГО КОНСПЕКТА Требования к графику график должен быть построен на миллиметровой бумаге, размер не менее половины листа А4, над графиком - полное название графика СЛОВАМИ, на графике: оси декартовой системы, на концах осей - стрелки, обозначение величин, единицы измерения, 10 N на каждой оси - РАВНОМЕРНЫЙ МАСШТАБ (риски через равные промежутки, числа через равное количество рисок), на графике - экспериментальные и теоретические точки ярко, форма графика должна соответствовать теоретической зависимости (не ломаная) Наиболее сложным для большинства студентов является написание выводов по результатам работы. Рекомендуется подходить к написанию выводов следующим образом: 1. Проанализировать ожидаемые результаты работы: что должно получиться по теории. 2. Проанализировать реально полученные результаты, указать сходства и различия теоретических и практических результатов. ТИТУЛЬНЫЙ ЛИСТ ЦЕЛЬ РАБОТЫ: (переписать полностью из описания). КРАТКАЯ ТЕОРИЯ (выписать основные формулы, определения, законы и пояснить каждый символ, входящий в формулу). ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ (нарисовать чертеж, рисунок, схему и подписать наименования деталей, обозначений). ЗАДАНИЯ ДЛЯ ДОПУСКА; ТЕСТИРОВАНИЕ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ; ТАБЛИЦЫ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (название, состав таблиц и их количество определить самостоятельно в соответствии с методикой измерений и обработкой их результатов). ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА. В отчете должны присутствовать подробные расчеты величины после написанной формулы. В расчетах указываются единицы измерения физических величин. Все расчеты ведутся в системе СИ. ГРАФИКИ; ВЫВОДЫ; ПИСМЕННЫЕ ОТВЕТЫ НА ВОПРОСЫ; ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ЗАДАНИЯ. 8 3. Обосновать с точки зрения теории отмеченные сходства и различия в результатах: почему так получилось. 9 РАЗДЕЛ 3. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО Лабораторная работа № 3.1 ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ТОЧЕЧНЫХ ЗАРЯДОВ Запустите программу «Открытая физика». Выберите «Электричество и магнетизм» и «Взаимодействие электрических зарядов». ЦЕЛЬ РАБОТЫ Экспериментальное определение величины электрической постоянной. Экспериментальная проверка теоремы Остроградского- Гаусса. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ Электрический заряд q (Кл) – физическая величина, характеризующая свойства тел вступать в электромагнитные взаимодействия. Величина любого заряда кратна элементарному заряду q 0 q = N· q 0, где N – целое число (= 1, 2, 3, 4 и т.д.). Модуль элементарного заряда q 0 = 1,6 ۰ 10 -19 Кл Точечным зарядом называется заряд, размерами которого можно пренебречь по сравнению с расстояниями до других тел. Закон Кулона определяет силу взаимодействия K F двух точечных зарядов q 1 , q 2 , находящихся на расстоянии rдруг от друга: Сила взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними K q q r F r r 1 2 2 0 1 4 (1) где r – расстояние между зарядами, r r - единичный вектор вдоль линии, соединяющей заряды, 0 = 8.85 ۰ 10 -12 Кл Нм 2 2 - электрическая постоянная, 10 - диэлектрическая проницаемость среды: показывает во сколько раз сила взаимодействия зарядов в вакууме больше, чем в среде. Для вакуума (воздуха) = 1. Особенности сил взаимодействия точечных зарядов: 1) силы взаимодействия могут быть как силами притяжения, так и силами отталкивания (противоположно заряженные заряды притягиваются, одноименно заряженные – отталкиваются); 2) силы взаимодействия – центральные силы. Это значит, что они направлены вдоль прямой, соединяющей взаимодействующие заряды; 3) силы взаимодействия – консервативные силы; 4) сила взаимодействия F зарядов в среде в раз меньше силы взаимодействия F 0 зарядов в вакууме F F 0 Электромагнитное поле – это вид материи, переносящий действие одной заряженной частицы на другую. Электростатическое поле – поле, которое создают неподвижные точечные заряды. Напряженность электрического поля E , В/м или Н/Кл - векторная величина, численно равная силе, действующей со стороны поля на помещенный в данную точку единичный пробный заряд пр F E q , (2) направление вектора напряженности совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Поскольку напряженность электрического полячисленно РАВНА СИЛЕ, с которой поле действует на единичный положительный заряд, то напряженность является силовой характеристикой электрического поля. Зная напряженность E , можно определить силу F , действующую на любой заряд q, помещенный в данную точку поля: F qE (3) 11 Принцип суперпозиции: Если электрическое поле создается системой зарядов q 1, _ q 2, … q n , то напряженность результирующего поля равна ВЕКТОРНОЙ сумме напряженностей полей, которые создает каждый заряд в отдельности (рис.1): 1 2 1 n n i i E E E E E ... (4) Напряженность электрического поля точечного заряда. 2 0 1 4 Т З пр F q r E E q r r . . (5) Силовые линии электрического поля - линии, касательные к которым в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряженности поля в той же точке. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных. Работа при перемещении заряда в электростатическом поле Работа силы при перемещении тела из точки 1 в точку 2 по определению механической работы равна: A Fdl 2 12 1 ( ) В электростатическом поле на заряд действует кулоновская сила F qE , поэтому работа по перемещению заряда q 0 из точки 1 в точку 2 : A q Edl 2 12 0 1 ( ) (6) Кулоновская сила, действующая на заряд в электростатическом поле, является консервативнойсилой. Поэтому работа сил электростатического поля по перемещению заряда не зависит от траектории движения и определяется только начальным и конечным положениями заряда. Рисунок 1 12 Пусть электростатическое поле создается точечным зарядом +Q (рис.2). Напряженность поля точечного заряда равна 2 0 1 4 q r E r r . Тогда, вычисляя по формуле (6), работа сил электростатического поля по перемещению заряда q 0 из точки 1 в точку 2 будет q Q A r r 0 12 0 1 2 1 1 ( ) 4 . (7) Работа сил электростатического поляпри перемещении заряда по замкнутому пути равна нулю L q Edl 0 ( ) 0 или т.к. q 0 0, то L Edl ( ) 0 Циркуляция вектора напряженности – это интеграл от вектора E по замкнутому контуру L L |