Файл: Лабораторная работа 1 По дисциплине Физика Изучение характеристик электростатического поля.docx

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 26.10.2023

Просмотров: 189

Скачиваний: 7

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Федеральное агентство связи

Федеральное государственное образованное бюджетное учреждение

высшего профессионального образования

«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

(ФГОБУ ВПО «СибГУТИ»)

Кафедра физика

Лабораторная работа 1

По дисциплине:

«Физика»

«Изучение характеристик электростатического поля»

Вариант № 1


Выполнил:

студент гр. ____

Ф.И.О.

Проверил:

Старший преподаватель

кафедры физики:

Моргачев Юрий Вячеславович

Новосибирск 2023


Содержание

Цель работы, задачи…………………………………………………….…….….3

Основные теоретические сведения…………………………………………..4-5

Описание лабораторной установки…………………………………….6

Экспериментальная часть……………………………….……….…....7-9

Заключение……………………………………………………….……….…….10

Контрольные вопросы ………………………..………………………11

Приложение……………………………………..……….....12-17
Цель работы:

Исследовать электростатическое поле, оценить напряжённость электрического поля в трёх точках, определить направление силовых линий
Задачи:

  • Изобразить графически сечение эквипотенциальных поверхностей электростатического поля, созданного заданной конфигурацией электрических зарядов

  • Используя изображение эквипотенциальных поверхностей, построить силовые линии электростатического поля заданной конфигурации зарядов

  • При помощи полученной картины силовых и эквипотенциальных линий проверить справедливость формулы связи напряжённости электрического поля с его потенциалом


Основные теоретические сведения

Основное свойство электрического поля, отличающее его от других полей: оно действует на помещенные в него электрические заряды с силой, пропорциональной величине заряда и не зависящей от скорости движения заряда. Поле, создаваемое неподвижными зарядами, называется электростатическим.

Величину взаимодействия между зарядами определяет Закон Кулона, являющийся основополагающим для всей науки об электричестве, который был установлен еще в 1780 г.:

(1)

Здесь q1 и q2 – абсолютные значения величин взаимодействующих зарядов, r– расстояние между ними, ɛ- диэлектрическая проницаемость, характеризующая среду между зарядами, ɛ0= 8,85*10-12 , электрическая постоянная.

Электростатическое поле в каждой точке пространства характеризуется двумя величинами: напряженностью и потенциалом. Силовая характеристика поля — напряженность — векторная величина, численно равна и совпадает с силой, действующей на единичный точечный положительный заряд, помещенный в данную точку поля:

(2)

Из определения напряженности следует, что сила, действующая со стороны электрического поля на точечный заряд, равна:

(3)

и сонаправлена с вектором напряженности в случае положительного заряда, и противоположно направлена с вектором напряженности в случае отрицательного заряда. Единица измерения напряженности электрического поля:

Электрическое поле характеризуется также потенциалом — энергетической величиной, численно равной работе электростатического поля по переносу единичного, положительного, точечного заряда q из данной точки поля в бесконечность:

(4)

Потенциал измеряется в вольтах: 1 В = 1 . Потенциал точечного заряда в вакууме равен:

(5)

Напряжённость поля, выражаемая через потенциал однородного электрического поля, обладающего центральной симметрией:

(6)

Эквипотенциальные поверхности — поверхности, во всех точках которой потенциал имеет одно и то же значение.

Таким образом, свойства силовых линий, следующие:

  1. Начинаются на положительных зарядах, заканчиваются на отрицательных зарядах. В данной работе заряды располагаются на внешней поверхности металлических электродов.

  2. Перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям, в том числе поверхностям электродов.

  3. В тех областях поля, где силовые линии расположены ближе друг к другу, величина напряженности поля больше.

  4. Направлены в сторону наиболее быстрого убывания потенциала.

  5. Не могут пересекаться.

Описание лабораторной установки

Установка представляет собой прямоугольную ванну с водой, в которую погружены два неподвижных электрода различной формы. Электроды присоединены к источнику постоянного низковольтного напряжения. Распределение потенциала в ванночке между электродами исследуется с помощью подвижного электрода.Вольтметр показывает напряжение между отрицательно заряженным электродом и точкой в ванне, в которую помещен зонд.

Схема установки:



В этой схеме:

ИН- источник высоковольтного напряжения,

V- вольтметр,

Э1 и Э2- электроды различной формы,

З- подвижный электрод (зонд).

Экспериментальная часть

Вариант расположения электродов 1

Таблица 1: результаты эксперимента для варианта 1

Потенциал, В
Координаты точек

№1
№2
№3
№4
№5
№6
№7

X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см

2
17,6
8,65
17,6
7,35
18,4
6,62
18,1
9,23
18,4
9,42
18,7
6,5
-
-

3
19,1
10,2
16,9
7,88
17,1
6,88
18,3
5,92
18,0
9,96
19,2
10,2
17,0
7,19

4
15,4
7,46
16,4
10,8
18,4
11,9
19,6
11,9
17,4
4,46
15,8
6,12
15,6
9,38

5
9,95
0,55
10,1
1,45
10,0
4,75
10,0
9,75
10,0
13,1
10,1
15,0
10,0
15,6

6
4,33
9,65
0,37
4,08
1,44
11,9
4,7
8,08
3,89
5,58
4,33
6,38
3,78
5,42

7
0,26
10,1
1,85
10,0
2,22
9,81
3,15
7,69
1,96
6,04
0,89
5,81
0,11
5,96

График 1: сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для двух конфигураций поля



Здесь зелёным отмечены силовые линии, серым- эквипотенциальные линии, красным- полученные в ходе опытов точки.

Вариант расположения электродов 2

Таблица 2: результаты эксперимента для варианта 2

Потенциал, В
Координаты точек

№1
№2
№3
№4
№5
№6
№7

X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см
X, см
Y, см

2
1,21
15,5
1,21
11,8
1,21
7,47
1,21
5,32
1,21
3,47
1,21
15,6
1,21
7,37

3
3,26
13,9
3,26
12,6
3,16
9,89
3,16
5,53
3,21
3,0
3,32
1,0
3,26
14,6

4
8,21
13,0
8,11
11,4
7,95
9,42
7,95
6,21
8,05
4,16
8,32
2,74
8,26
1,47

5
16.7
13,4
18,4
14,3
14,8
11,3
13,9
8,26
14,7
4,79
16,8
2,53
20,0
1,26

6
19,4
10,8
17,2
10,0
16,4
8,58
16,6
6,68
17,9
5,42
19,4
5,16
16,4
8,47

7
19,6
9,7
17,6
9,15
17.3
7,75
18,1
6,45
18,9
6,2
19,3
6,2
17,4
8,75

График 2: сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для двух конфигураций поля



Измерение напряжённости поля в трёх заданных точках

Таблица 3: координаты точек

А
В
С

(4,6)
(9,6)
(15,6)

Потенциалы электрического поля в данных точках соответственно равны:

6,06 В

5,12 В

4,22 В

Напряжённость поля, выражаем через потенциал однородного электрического поля, обладающего центральной симметрией по формуле (6):



Напряжённость поля на участке между 1 и 2 точками:





Так как напряжённость поля на двух участках получилась отрицательная, это означает, что потенциал электрического поля уменьшается слева направо. Учитывая, что по условию потенциал отрицательно заряженного электрона принимается равным нулю, соответственно положительно заряженный электрод находится слева, а отрицательно заряженный справа.

Заключение

В ходе данной лабораторной работы поставленная цель (исследовать электростатическое поле, оценить напряжённость электрического поля в трёх точках, определить направление силовых линий) с помощью средств программного симулятора лабораторной установке была выполнена.

Я определил потенциалы электрического поля в различных точках, благодаря чему смог построить эквипотенциальные линии, соединяющие точки, обладающие одинаковыми потенциалами поля.

Далее, изучив свойства силовых линий, я построил их на координатной плоскости по уже найденным эквипотенциальным линиям.

Последним этапом исследования электрического поля было определение напряжённости в трёх заданных точках, благодаря чему я смог найти расположение положительного и отрицательного электродов, зная знак значения найденной величины.

Смотрите также файлы