Изучение электростатических полей. Лабораторная №1 физика. Лабораторная работа 1 Изучение электростатических полей

• Название: Лабораторная работа 1 Изучение электростатических полей
• Анкор: Изучение электростатических полей
• Дата: 07.04.2022
• Размер: 499.89 Kb.
• Имя файла: Лабораторная №1 физика.docx
• Тип: Лабораторная работа; #450396

Выполнил студент гр.2-12:

Лабораторная работа №1

«Изучение электростатических полей»
Цель работы: знакомство с методом моделирования электростатических полей. Экспериментальное нахождение эквипотенциальных линий для полей, созданных электродами различной формы. Построение линий напряженности электростатического поля по экспериментально найденным эквипотенциальным линиям. Определение характеристик электростатического поля по полученной картине.

ОБОРУДОВАНИЕ

1. 
   Слабопроводящая пластина с электродами (на плате «Блок моделирования полей»).
   
2. 
   Регулируемый источник постоянного напряжения « » (на плате «Блок генераторов»).
   
3. 
   Стрелочный вольтметр с гнездами для его подключения (на плате «Блок мультиметров»).
   
4. 
   Зонд (штырь с пластмассовой рукояткой обычного соединительного провода лабораторного стенда).
   
5. 
   Соединительные провода со штырями. Половина проводов красного цвета, а половина – синего
   

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1. Напряженность электрического поля

Напряженность электрического поля есть физическая величина, численно равная модулю силы, с которой электрическое поле действует на единичный точечный положительный заряд , помещенный в данную точку поля. Направление вектора совпадает с направлением силы , действующей на этот положительный заряд.

Напряженность Е измеряется в вольтах на метр: В/м.

На всякий точечный заряд q, помещенный в точку поля с напряженностью , будет действовать сила .
Электрическое поле удобно представлять графически с помощью линий напряженности (силовых линий). На рис. 1 таким образом показано поле системы, состоящей из двух разноименных, но одинаковых по величине точечных зарядов.

2. Потенциал электростатического поля

Для электростатического поля можно ввести понятие энергетической характеристики аналогично тому, как была введена его силовая характеристика – напряженность . Для этого используют отношение , которое уже не зависит от , а определяется только зарядом, создающим поле, и положением точки. Это отношение называется потенциалом:

.

Потенциал j электростатического поля есть физическая величина, численно равная потенциальной энергии, которой обладает точечный единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

Эквипотенциальной называется поверхность, все точки которой имеют одинаковый потенциал. С помощью этих поверхностей можно графически изображать электростатические поля.

.

Равенство будет выполняться только в том случае, если угол a между вектором и эквипотенциальной поверхностью будет прямым . Следовательно, вектор всегда перпендикулярен к эквипотенциальным поверхностям и линии напряженности всегда перпендикулярны к ним. Именно так проведены эквипотенциальные поверхности электростатического поля точечного заряда (рис. 2).
3. Связь напряженности с потенциалом в электростатическом поле

.

Градиент потенциала есть вектор, направленный в сторону максимально быстрого возрастания потенциала . Это направление указывается единичным вектором . Модуль градиента показывает быстроту изменения потенциала в этом направлении.

,

где .

.
II. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

1. 
   Описание экспериментальной установки
   

Р ис. 10. Электрическая схема исследования электростатического поля:

1 – стрелочный вольтметр;

2, 4 – электроды;

3 – зонд;

5 – слабопроводящая пластина;

6 – входы для подключения блока моделирования полей (рис. 11);

7 – блок моделирования полей;

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

Р ис.11. Входы для подключении блока моделирования полей:

1, 3 – входы для подключения

регулируемого источника

постоянного напряжения «0…+15В»;

2 – вход для подключения зонда (щупа);

4, 5 – входы для подключения

стрелочного вольтметра

Задание 1

Экспериментальное нахождение эквипотенциальных линий

(на примере пластины с круглыми электродами)







Задание 2

Приближенное построение линий напряженности

на картине электростатического поля

(на примере пластины с круглыми электродами)


F



Задание 3

Определение некоторых физических величин по полученной картине неоднородного электростатического поля

(на примере пластины с круглыми электродами)

1. 
   В точке B напряженность будет максимальной, т.к. расстояние от положительного электрода очень мало, а расстояние от отрицательного электрода не превышает расстояние между электродами.
   
2. 
   Указал на рисунке
   
3. 
   В точке A:
   

4. 
   
   
5. 
   
   

Для 1 пути:
Для 2 пути:
Для 3 пути:

Лабораторная работа 1, билет 5.

1. Запишите формулу для силы F, действующей на точечный заряд q, помещенный в точку поля с напряженностью E.

Решение:

Формула для силы действующей на точечный заряд q вытекает из формулы напряженности электрического поля:



где   — сила, действующая на точечный положительный заряд q, помещенный в точку поля с напряженностью .
2. Дайте определение разности потенциалов φ в электростатическом поле. В чем измеряется разность потенциалов?

Решение:

Чтобы перейти к разности потенциалов, предлагаю вспомнить определение самого потенциала.

Потенциалом электростатическо­го поля называют отношение потен­циальной энергии заряда в поле к этому заряду.

Согласно данному определению потенциал равен:

  (1)

Разность потенциалов

Так как потенциальная энергия  , то работа равна:

  (2)

Здесь (3)

разность потенциалов, т. е. разность значений потенциала в начальной и конечной точках траектории.

Разность потенциалов называют также напряжением.

Согласно формулам (2) и (3) разность потенциалов оказы­вается равной:

 (4)

Теперь мы можем дать определение разности потенциалов:

Разность потенциалов (напряже­ние) между двумя точками равна отношению работы поля при пе­ремещении заряда из начальной точки в конечную к этому за­ряду.

Единицу разности потенциалов уста­навливают с помощью формулы (4). В Международной системе единиц работу выражают в джоулях, а заряд — в кулонах. Поэтому раз­ность потенциалов между двумя точками равна единице, если при перемещении заряда в 1 Кл из одной точки в другую электрическое поле совершает работу в 1 Дж. Эту единицу называют вольтом (В); 1 В = 1 Дж/1 Кл.
3. Укажите назначение вольтметра в электрической схеме лабораторной работы.

Решение:

Для измерения напряжения между электродом с нулевым потенциалом и точкой на слабопроводящей пластине используются стрелочный вольтметр с нулем посередине шкалы, имеющим пределы измерения , и зонд.

Задание 4
В вершинах равностороннего треугольника находятся равные по модулю точечные заряды. Определить направление вектора напряженности электростатического поля в центре треугольника.
Варианты ответов:
1)	г	2)	в
3)	а	4)	б

Решение:
Правильный ответ 4) б, т.к. Вектор напряженности направлен от заряда при образующем поле положительном заряде q+, а при отрицательном – q – по направлению к заряду. Если мы проведем вектора напряженности от положительных зарядов, то увидим, что по правилу сложения векторов, результирующий вектор напряженности будет направлен к отрицательному заряду, т.е в направлении б.

Ответ: 4) б

Задание 5
Электрическое поле создано отрицательным точечным зарядом. Укажите направление вектора градиента потенциала поля в точке  .
Варианты ответов:
1)		2)
3)		4)

Решение:
Правильный ответ 1) A-2, т.к. вектор градиента потенциала всегда направлен в сторону увеличения потенциала (противоположен по направлению вектору , направленному в сторону уменьшения потенциала).
Ответ: 1) A-2
Вывод: В ходе лабораторной работы мы ознакомились с методом моделирования электростатических полей. Экспериментально нашли эквипотенциальные линий для полей, созданных электродами различной формы. Построили линий напряженности электростатического поля по экспериментально найденным эквипотенциальным линиям. Определили характеристики электростатического поля по полученной картине.