Файл: Лабораторная работа 1 Исследование электрического поля плоского конденсатора Методические указания к лабораторной работе.doc

Рис. 1. Установка для измерения напряженности электрического поля как функции напряжения и расстояния между пластинами.

2 3 5 V 1 12 V 200 V 4 V

Рис. 9. Общий вид лабораторной установки – 1. источник питания; 2.плоский конденсатор; 3. измеритель напряженности электрического поля; 4. вольтметр; мультиметр в режиме вольтметра

Порядок выполнения

При выполнении работы следует строго соблюдать правила техники безопасности и охраны труда, установленные в лаборатории. Выполнять работу нужно предельно аккуратно, не трясти и не толкать установку, поскольку это может исказить результаты. Работа выполняется в строгом соответствии с нижеизложенным порядком выполнения и в объёме, предусмотренном индивидуальным заданием.
Записать в таблицу технические данные прибора:

№ п.п.	Название прибора	Пределы измерений	Число делений	Цена деления	Класс точности	Абсолютная приборная погрешность
1
2

1. 
   Проверить электрическую схему установки.
   
2. 
   Установить пластины конденсатора на расстояние 10 – 15 см между ними.
   
3. 
   Включить источник питания и измерительные приборы и убедиться по показаниям вольтметра 2 (см. рис. 1), что на пластины конденсатора не подано напряжение.
   
4. 
   П
   одать напряжение 12 В для обеспечения вращения лопостей измерителя поля (первый слева регулятор на источнике питания)
   
5. 
   Отбалансировать измеритель напряженности поля нулевым напряжением: для балансировки необходимо на самом чувствительном пределе измерителя напряженности электрического поля (рис. 3) зажечь светодиод кнопкой “Range” на верхнем канале (1 kV/m), затем поворотом ручки балансира “ ” добиться показания нуля на мультиметре, измеряющем напряженность электрического поля (контакты с этого мультиметра 6 подсоединены к верхним разъемам измерителя на рис. 2). При этом, показания напряженности электрического поля на данном мультиметре следует умножать на 100. При больших напряженностях поля (если мультиметр показывает больше 10 В) следует перейти кнопкой “Range” на следующий предел 10 кВ/м (загорится соответствующий светодиод) и показания мультиметра в этом случае следует умножать на 1000; на нижнем пределе (100 kV/m) соответственно показания мультиметра следует умножить на 10 000. Полученный результат будет соответствовать напряженности поля в конденсаторе, выраженным в В/м. В данной лабораторной работе рекомендуется производить измерения на втором пределе.
   
6. 
   Подать на пластины конденсатора напряжение 200 Вольт (третий слева регулятор на источнике питания; точность данного значения проверять на вольтметре, присоединенном параллельно к пластинам конденсатора). С мультиметра, подсоединенному к измерителю напряженности, записать в таблицу 1 показания напряженности электрического поля при разных расстояниях между пластинами. ВНИМАНИЕ! Передвигать пластины конденсатора можно только при выключенном напряжении на конденсаторе.
   

---

Таблица 1.

№	d	Eэксп	U	Eтеор	Сэксп	Стеор
	см		В	В/м	Ф	Ф
1	12		200
2	10
3	8
…	…

7. 
   Отключить источник питания и установить пластины на другое расстояние в соответствии с табл. 1 и, снова отбалансировать измеритель напряженности электрического поля.
   
8. 
   Подать напряжение 200 В и измерить напряженность при новом расстоянии.
   
9. 
   Выполнить пункты 6, 7 и 8 для других расстояний.
   
10. 
    Установить пластины на фиксированное расстояние d = 10 см.
    
11. 
    Выполнить пункты 3 – 5. Снять зависимость E от U, занося данные в таблицу 2.
    

Таблица 2.

№	d	U	Eэксп	Eтеор
	см	В
1	10	50
2		75
3		100
…		…

12. 
    Измерить и записать площадь пластин S конденсатора.
    

Обработка результатов

1. 
   По данным таблицы 1 рассчитать E_теор по формуле (1.6) и сопоставить с экспериментальными данными.
   
2. 
   По данным таблицы 1 определить С_эксп по формуле (1.8) и сопоставить с результатами С_теор, рассчитанной по формуле (1.7).
   
3. 
   Построить график зависимости E_теор.отdи E_эксп.отd при U=200 Впо данным табл. 1 в одной координатной плоскости.
   
4. 
   Построить график зависимости С от dи С_теор от dв одной координатной плоскостипо данным табл. 1.
   
5. 
   На основе формулы (1.6) и данных таблицы 2 построить в одной координатной плоскости зависимости напряженностей полей E_теор.отUи E_эксп.отUдля d₁ = 5 см и d₂ = 10 см.
   
6. 
   Рассчитать силу взаимного притяжения пластин на основе формул (1.9) и (1.10) при расстояниях между обкладками d₁ = 0,01 мм, d₂ = 1 мм и d₃ = 10 мм при U=200 В.
   
7. 
   Рассчитать теоретическое значение энергии поля конденсатора по формуле (1.11) в зависимости от напряжения между пластинами. Построить зависимость энергии W от напряжения Uв диапазоне от 0 до 500 В для d₁ = 5 мм и d₂ = 10 мм.
   
8. 
   Рассчитать погрешности косвенно измеренных величин.
   

---

Контрольные вопросы

1. 
   Что такое напряженность, потенциал электрического поля, электроёмкость?
   
2. 
   Что такое однородное электрическое поле? Как изменяется потенциал в однородном электрическом поле?
   
3. 
   От чего зависит напряженность электрического поля, электроёмкость конденсатора?
   
4. 
   Как влияет диэлектрик на электрическое поле и электроёмкость?
   
5. 
   Что такое эквипотенциальная поверхность, силовая линия поля? Как ориентированы эквипотенциальные поверхности?
   

ТРЕБОВАНИЯ К СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЁТА ПО ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ

Отчёт оформляется в печатном виде на листах формата А4 в соответствии с указанными ниже требованиями.

Помимо стандартного титульного листа в содержании отчёта должны быть раскрыты пункты, перечисленные ниже.

1. Цель работы.

2. Краткое теоретическое содержание.

1) Явление, изучаемое в работе.

2) Определения основных физических понятий, объектов, процессов и величин.

3) Законы и соотношения, описывающие изучаемые процессы, на основании которых, получены расчётные формулы.

4) Пояснения к физическим величинам и их единицы измерений.

3. Схема установки.

4. Расчётные формулы.

5. Формулы для расчёта погрешностей косвенных измерений.

6. Таблицы с результатами измерений и вычислений. (Таблицы должны иметь номер и название. Единицы измерения физических величин должны быть указаны в отдельной строке таблицы под строкой с обозначениями физических величин.)

7. Пример вычисления (для одного опыта).

1) Исходные данные.

2) Вычисления.

3) Окончательный результат.

8. Графический материал.

1) Записать аналитическое выражение функциональной зависимости, которая представлена на графике.

2) На осях координат указать масштаб, физические величины и единицы измерения.

3) На координатной плоскости должны быть нанесены экспериментальные точки.

4) По результатам эксперимента, представленным на координатной плоскости, провести плавную линию, аппроксимирующую функциональную теоретическую зависимость в соответствии с методом наименьших квадратов.

9. Анализ полученного результата. Выводы.

ПРАВИЛА ПОСТРОЕНИЯ ГРАФИКОВ

---

1. Графики строятся с использованием компьютера.

2. Перед построением графика необходимо четко определить, какая переменная величина является аргументом, а какая функцией. Значения аргумента откладываются на оси абсцисс (ось х), значения функции - на оси ординат (ось у).

3. Из экспериментальных данных определить пределы изменения аргумента и функции.

4. Указать физические величины, откладываемые на координатных осях, и обозначить единицы величин.

5. На осях координат указать масштаб (при очень больших или очень малых величинах, показательную часть в записи величины указать рядом с единицами измерений на оси).

6. Нанести на график экспериментальные точки, обозначив их (крестиком, кружочком, жирной точкой).

7. Провести через экспериментальные точки плавную линию, в соответствии с выбранной аппроксимирующей (приближающей) функцией, описывающей зависимость между величинами, полученными в результате экспериментальных измерений. (Определение параметров приближающей функции выполняется одним из наиболее распространённых математических методов - методом наименьших квадратов. В компьютерной программе Еxcel реализация метода осуществляется при использовании режима линии тренда и выбранного вид аппроксимирующей функции.)

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ЗАЩИТЕ ОТЧЕТА

К защите допускаются студенты, подготовившие отчет в соответствии с требованиями к его содержанию в установленные сроки. После проверки преподавателем содержания отчёта, при наличии ошибок и недочетов, работа возвращается студенту на доработку. При правильном выполнении лабораторной работы, соблюдении всех требований к содержанию и оформлению отчёта, студент допускается к защите.

Для успешной защиты отчета необходимо изучить теоретический материал по теме работы, а так же освоить математический аппарат, необходимый для вывода расчётных формул работы.

При подготовке к защите, помимо данного методического пособия, необходимо использовать учебники и другие учебные пособия, рекомендованные к учебному процессу кафедрой ОТФ.

Во время защиты студент должен уметь ответить на вопросы преподавателя в полном объёме теоретического и методического содержания данной лабораторной работы, уметь самостоятельно вывести необходимые расчётные формулы, выполнить анализ полученных зависимостей и прокомментировать полученные результаты.
библиографический список учебной литературы

---

1. 
   Калашников Н.П. Основы физики. М.: Дрофа, 2004. Т. 1
   
2. 
   Савельев И.В. Курс физики. М.: Наука, 1998. Т. 2.
   
3. 
   Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 2000.
   
4. 
   Иродов И.Е Электромагнетизм. М.: Бином, 2006.
   
5. 
   Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1998.
   

---