ВИРТЛАБ-1(рус) (4). Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики

• Название: Руководство по выполнению виртуальных лабораторных работ по курсу физики
• Дата: 06.05.2023
• Размер: 0.99 Mb.
• Имя файла: ВИРТЛАБ-1(рус) (4).pdf
• Тип: Руководство; #1112238
• страница: 2 из 7

2. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ. ОПТИКА
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.1.
ДВИЖЕНИЕ ЭЛЕКТРОНА В ОДНОРОДНОМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ПОЛЕ
Ознакомьтесь с теорией в конспекте и учебнике (Савельев И.В., т.2, §5, §73).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
 Знакомство с однородным электростатическим полем плоского конденсатора;
 Знакомство с интерактивной моделью движения электрона в электрическом поле конденсатора;
 Изучение траектории движения точечного заряда в однородном электростатическом поле;
 Изучение влияния напряжённости электрического поля и скорости частицы на время и дальность полёта;
 Определение удельного заряда электрона с помощью интерактивной модели движения частицы в электрическом поле конденсатора.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Движение заряженных частиц в электрическом поле широко используется в современных электронных приборах, в частности, в электронно-лучевых трубках с электростатической системой отклонения электронного пучка.
Электрический заряд есть величина, характеризующая способность объекта создавать электрическое поле и взаимодействовать с электрическим полем.
Точечный заряд это абстрактный объект (модель), имеющий вид материальной точки, несущей электрический заряд (заряженная МТ).
Электрическое поле есть область пространства, в которой на заряженный объект действует сила, называемая электрической.
Основными свойствами заряда являются:
 аддитивность (суммируемость);
 инвариантность (одинаковость во всех инерциальных системах отсчета);
 дискретность (наличие элементарного заряда, обозначаемого е, и кратность любого заряда этому элементарному: q = Ne, где N - любое целое положительное и отрицательное число);
 подчинение закону сохранения заряда (суммарный заряд электрически изолированной системы, через границы которой не могут проникать заряженные частицы, сохраняется);
 наличие положительных и отрицательных зарядов (заряд величина алгебраическая).

Страница 15
Закон Кулона определяет силу взаимодействия двух точечных зарядов
12 2
0 2
1 12 4
r
r
q
q
F





, где
12
r

- единичный вектор, направленный от первого заряда q
1
ко второму заряду q
2
Напряженностью электрического поля называется векторная характеристика поля, численно равная отношению силы
ЭЛ
F

, действующей на точечный заряд, к величине q этого заряда:
q
F
E
ЭЛ



. Если задана напряженность электрического поля, тогда сила, действующая на заряд, будет определяться формулой
E
q
F
ЭЛ



Однородным называется поле, напряженность которого во всех точках одинакова как по величине, так и по направлению. Сила, действующая на заряженную частицу в однородном поле, везде одинакова, поэтому неизменным будет и ускорение частицы, определяемое вторым законом Ньютона (при малых скоростях движения V<E
m q
m
F
a
ЭЛ





= const. Тогда Y=
2 0
2 2
1 2









X
V
L
E
m
q
at
, и V
Y
=
X
V
L
E
m
q
at
0

, где
Y - смещение частицы по вертикали и
y

- вертикальная компонента скорости в момент времени, когда частица вылетает из конденсатора.
МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
Внимательно рассмотрите рисунок, найдите все регуляторы и другие основные элементы. В данной лабораторной работе используется компьютерная модель, в которой иллюстрируется движение заряженной частицы (электрона) в электрическом поле плоского конденсатора. Можно изменять значения составляющих υ
0x и υ
0y начальной скорости частицы, а также величину и знак напряженности поля конденсатора. На экране дисплея изображается траектория движения частицы, и выводятся значения координат и составляющих скорости частицы в любой момент времени.
Зарисуйте поле эксперимента и траекторию движения частицы. Нажав кнопку «Run», наблюдайте на экране движение частицы.
ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ
ИЗМЕРЕНИЙ!

Страница 16
ИЗМЕРЕНИЯ
Подведите курсор мыши к кнопкам-стрелкам регулятора напряженности Е.
Нажмите левую кнопку мыши и, удерживая ее в нажатом состоянии, меняйте Е
. Установите числовое значение Е, равное взятому из таблицы 1 для вашей бригады.
Аналогичным способом установите
x
0

= 2 10 6
м/с,
y
0

= 0. Нажав кнопку
«Run», наблюдайте движение частицы.
Увеличивая
x
0

, подберите минимальное значение, при котором частица вылетает из конденсатора.
Запишите значение длины пластин конденсатора L.
Проведите измерения параметров движения частицы в момент вылета из конденсатора. Запишите числовые значения с экрана в таблицу 2.
Повторите измерения по п.3 еще 5 раз, каждый раз увеличивая
x
0

на 0.2 10 6
м/с. Результаты записывайте в таблицу 2.
Таблица 1. Напряженность электрического поля (не перерисовывать)
Бригада
1 2
3 4
5 6
7 8
Е [В/м]
100 200 300 400 -100 -200 -300
-400
Таблица 2. Результаты измерений при Е = ____ В/м, L = ___ м.
x
0

[Мм/с]
Y[мм]
X[мм] t [нс]
x

[Мм/с]
y

[Мм/с]

Страница 17
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Постройте на отдельных листах графики экспериментальных зависимостей:
 вертикального смещения на вылете из конденсатора (Y) от квадрата обратной начальной скорости (1/
x
0

)
2
;
 вертикальной составляющей скорости
y

на вылете из конденсатора от обратной начальной скорости (1/
x
0

).
Для каждого графика определите по его наклону экспериментальное значение удельного заряда частицы, используя формулы
)
1
(
)
(
2 2
0 2
x
Y
EL
m
q




для первого и
)
1
(
)
(
1 0 x
y
EL
m
q





для второго.
Рассчитайте среднее значение экспериментально полученного удельного заряда частицы.
Запишите ответ. Сформулируйте выводы по ответу и графикам.
Табличное значение удельного заряда электрона e/m = 1.76 10
11
Кл/кг.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Дайте определение электрического заряда.
2. Выберите, к какому классу характеристик относится электрический заряд
 характеристика движения,
 характеристика воздействия ,
3. Перечислите все свойства заряда.
4. Сформулируйте свойство дискретности заряда.
5. Сформулируйте свойство аддитивности заряда.
6. Сформулируйте свойство инвариантности заряда.
7. Напишите закон Кулона для силы взаимодействия двух неподвижных зарядов.
8. Дайте определение электростатического (электрического) поля.
9. Дайте определение напряженности электрического поля.
10. Напишите формулу, определяющую напряженность электрического поля.
11. Напишите формулу, определяющую электрическую силу, действующую на точечный заряд в электрическом поле с заданной напряженностью.
12. Напишите формулу для напряженности электрического поля точечного заряда, расположенного в начале координат.
13. Сформулируйте принцип суперпозиции для электрического поля
14. Дайте определение потенциала электрического поля.
15. Напишите формулу для потенциала электрического поля точечного заряда, расположенного в начале координат.
16. Какое поле называется однородным?
17. Напишите формулу емкости плоского конденсатора.
18. Какое поле существует между пластинами плоского конденсатора?
19. Какую форму имеет траектория движения электрона между пластинами плоского конденсатора?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2.2
ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ПОЛЕ ТОЧЕЧНЫХ ЗАРЯДОВ
Ознакомьтесь с конспектом лекций и учебником (Савельев И.В., т.2, §5-
10).
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
 Знакомство с моделированием электрического поля от точечных источников.
 Экспериментальное подтверждение закономерностей для электрического поля точечного заряда и электрического диполя (ЭД).
 Экспериментальное определение величины электрической постоянной.
КРАТКАЯ ТЕОРИЯ:
Электрическое поле неподвижных зарядов называется электростатическим. Оно не меняется со временем. Электростатическое поле создается только электрическими зарядами. Оно существует в пространстве, окружающем эти заряды и неразрывно с ними связано.«Зарядом» называют заряженную частицу, а «точечным зарядом» - материальную точку, имеющую электрический заряд.
Основные свойства электрического заряда:
1. Самое фундаментальное свойство – существование в 2-х видах
«положительном» и «отрицательном». Одноименные заряды отталкиваются, а разноименные – притягиваются.
2. Заряд дискретен – заряд любого тела по величине кратен заряду электрона
Кл
е
19 10 6
,
1



3. Заряд инвариантен – его величина является одинаковой в любой инерциальной системе отсчета.
4. Заряд аддитивен – заряд системы тел равен сумме зарядов отдельных тел.
5. Заряд сохраняется – суммарный заряд электрически изолированной системы тел не изменяется при любых процессах, происходящих в этой системе.
Точечные заряды взаимодействуют по закону Кулона:
r
r
q
q
F




3 0
2 1
4

где
r

- единичный радиус-вектор, направленный вдоль прямой, соединяющий заряды.
Напряженность электрического поля равна отношению силы, с которой поле действует на точечный заряд, к этому заряду
q
F
E



Напряженность поля точечного заряда:
r
r
q
E


2 0
4



Страница 19
Графически ЭП изображается линиями напряженности или силовыми линиями. Силовыми называются линии, касательные в каждой точке к которым совпадают с направлением вектора
E

Для ЭП выполняется принцип суперпозиции: напряженность ЭП нескольких источников является геометрической суммой векторов напряженности полей, создаваемых независимо каждым источником


i
i
E
E


Потоком вектора напряженности ЭП называется интеграл по некоторой поверхности S от скалярного произведения напряженности ЭП на элемент поверхности:


S
E
S
d
E
Ф


где вектор
S
d

направлен по нормали к поверхности.
Теорема Остроградского – Гаусса для ЭП:
Поток вектора напряженности через замкнутую поверхность S пропорционален суммарному заряду, охватываемую этой поверхностью:




i
i
S
E
q
S
d
E
Ф
0 1



Потенциалом данной точки ЭП называется скалярная величина, численно равная работе сил поля по перемещению единичного положительного заряда из данной точки в бесконечность:
q
A


1

или



1
)
(
r
r
d
E
r



Связь между напряженностью и потенциалом:

grad
E



, где оператор градиента
















z
y
x
grad
;
;
Диполь это система, состоящая из 2-х разноименных, одинаковых по модулю зарядов, расположенных на расстоянии l друг от друга и связанных между собой.(
l

-плечо диполя, направленное от отрицательного заряда к положительному)
Дипольный (электрический) момент есть произведение
l
q
p



Вектор
p

направлен от отрицательного заряда к положительному.
Напряженность ЭП диполя вычисляется с использованием принципа суперпозиции полей:
1) в общем случае


2 3
0
cos
3 1
4


r
p
E
, где r – величина радиус- вектора, проведенного от центра диполя к точке, напряженность поля в которой нас интересует,

- угол между r и плечом диполя l

Страница 20 2) в частных случаях: а) в точке лежащей на оси диполя (

=0)
3 0
2
r
p
E


б) в точке, лежащей на перпендикуляре к плечу диполя, восстановленному из его середины (

=
2

)
3 0
4
r
p
E


МЕТОДИКА И ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЙ
В данной лабораторной работе используется компьютерная модель, в которой иллюстрируется принцип суперпозиции электрических полей. В системе из трех точечных зарядов каждые два заряда взаимодействуют между собой по закону Кулона независимо от наличия третьего заряда. Можно изменять величины и знаки всех трех зарядов, а также расстояния между ними. Перемещения зарядов производится с помощью установки курсора на выбранный заряд и нажатием левой клавиши мыши. На дисплее высвечиваются значения сил взаимодействия. Положительным значениям сил взаимодействия соответствует отталкивание заряженных частиц, отрицательным – притяжение.
Рассмотрите внимательно рисунок и зарисуйте необходимое в конспект:

Страница 21
Таблица 1. Результаты
измерений (9 столбцов)
Таблица 2. Значения
величины заряда q
1
/10
-8
Кл (не перерисовывать)
r (см)
=
20 30 ... 10 0
Бригады
1/r
2
, м
-2 1 и 5 4
6 8
10
E
1
,
В/м
2 и 6 4
5 9
10
E
2
,
В/м
3 и 7
-4
-5
-7
-9
E
3
,
В/м
4 и 8
-4
-6
-8 -10
E
4
,
В/м
Подготовьте таблицу 1, используя образец. Подготовьте также
таблицы 3 и 4, аналогичные табл.1, за исключением второй строчки,
содержание которой см. в следующем разделе.
ПОЛУЧИТЕ У ПРЕПОДАВАТЕЛЯ ДОПУСК ДЛЯ
ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ!
ИЗМЕРЕНИЯ
ЭКСПЕРИМЕНТ 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ТОЧЕЧНОГО ЗАРЯДА
Зацепив мышью, перемещайте заряд q
1
и зафиксируйте его вблизи левой границы экспериментального поля. Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины первого заряда и установите величину заряда, указанную в таблице 2 для вашей бригады. Заряд q
3 поместите под первым, а его величину установите равной 0. Заряд q
2 установите равным 10
-8
Кл.
Перемещайте, нажав левую кнопку мыши, заряд q
2 вправо, устанавливая расстояния r
12
до первого заряда, указанные в таблице 1.
Измеренные в данных точках значения
Е
1
=F
12
/q
2 занесите в соответствующую строку табл.1. Повторите измерения для трех других значений заряда q
1
из табл.2, записывая в табл.1 значения Е
2
, Е
3
и Е
4
ЭКСПЕРИМЕНТ 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛЯ ДИПОЛЯ
Зацепив мышью, перемещайте движок регулятора величины второго заряда диполя (q
3
) и зафиксируйте значение заряда, указанное в таблице 2 для вашей бригады, изменив знак на противоположный. Переместите заряд q
3
так, чтобы электрический момент диполя был вертикальным, а плечо диполя
(L=r
13
) было равно 10 см.

Страница 22
Перемещайте мышью второй заряд по оси диполя, удерживая левую кнопку мыши. На расстояниях r до оси диполя, указанных в таблице 1, измерьте и занесите значения Е
1
=(F
12
/q
2
) (L/r
12
) в табл.3, аналогичную табл.1
(кроме второй строки, в которой здесь надо записать
(1/r
3
)(м
-3
)). Повторите измерения для трех других значений зарядов q
1
(и q
3
) из табл.2, записывая в табл.3 значения Е
2
, Е
3
и Е
4
ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ И ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА
Вычислите и запишите в таблицы 1 и 3 значения для второй строки.
Постройте на одном листе графики зависимости напряженности ЭП Е точечного заряда от квадрата обратного расстояния (1/r
2
).
Постройте на втором листе графики зависимости напряженности ЭП Е на оси диполя от куба обратного расстояния (1/r
3
).
По тангенсу угла наклона графиков на каждом из двух листов определите постоянную, используя формулы
)
(
)
1
(
4 2
1 0
E
r
q





для первого чертежа и
)
(
)
1
(
4 3
0
E
r
p





для второго (для больших расстояний r).
Вычислите среднее значение электрической постоянной.
Запишите ответы и проанализируйте ответ и график.
ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Что такое электрическое поле ЭП?
2. Назовите источники ЭП.
3. Перечислите и разъясните основные свойства заряда.
4. Какая сила действует между зарядами?
5. Дайте определение линии напряженности ЭП. Зачем их рисуют?
6. Запишите закон Кулона.
7. Запишите формулу для напряженности поля точечного заряда.
8. Сформулируйте принцип суперпозиции для ЭП.
9. Дайте определение потока ЭП.
10. Сформулируйте и запишите закон Гаусса для ЭП.
11. Что такое электрический диполь?
12. Запишите и разъясните формулу дипольного (электрического) момента.
13. Сформулируйте и запишите формулу для ЭП на оси диполя.
14. Что такое магнитный момент витка с током?
15. Какую форму имеет линия поля, проходящая через центр диполя?
16. Что такое потенциал ЭП и для чего он используется?
17. Что такое градиент?

Страница 23