ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.08.2019
Просмотров: 9448
Скачиваний: 23
6
Р А З Д Е Л 13 ------------------------------------------------------------------- 231
Ядерная физика ------------------------------------------------------------- 231
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 141(к)
Энергия связи ядер ----------------------------------------------------------- 233
Вопросы по работе и разделу 13 ------------------------------------------ 236
ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ --------------------- 237
Электричество ----------------------------------------------------------------- 237
Волновая оптика -------------------------------------------------------------- 238
Квантовая оптика ------------------------------------------------------------- 239
Квантовая механика. Атомная физика ----------------------------------- 239
Физика твердого тела -------------------------------------------------------- 240
Ядерная физика --------------------------------------------------------------- 240
Л И Т Е Р А Т У Р А ------------------------------------------------------------ 241
7
П Р Е Д И С Л О В И Е
Методический совет кафедры установил обязательное для всех
студентов выполнение фронтально - тематических лабораторных работ
1-го уровня.
Данное пособие включает работы, выполняемые на кафедре по
разделам ―электромагнетизм‖, ―оптика‖, ―атомная физика‖, ―физика
твердого тела‖. В пособие включены как описания и методики работ,
выполняемых в лабораториях кафедры, так и работы, предназначенные
для выполнения в компьютерном классе. Номера работ, выполняемых
в компьютерном классе, помечены буквой «К».
Работы сгруппированы по основным разделам курса физики. В
начале каждого раздела приведены основные теоретические сведения.
В конце каждого раздела приведены вопросы, знание которых
необходимо
для
успешного
прохождения
предварительного
компьютерного тестирования с целью получения допуска для
выполнения лабораторной работы, а также для сдачи фронтально -
тематической лабораторной работы преподавателю.
Кроме того, в пособии приведены типовые вопросы по указанным
разделам курса для подготовки к сдаче экзамена.
В
создании
лабораторного
практикума
―Электричество‖
участвовали преподаватели кафедры: Волков Б.Н, Коновалова З.И.,
Лаушкина Л.А., Озолин В.В., Рудакова Л.И., Сидоров Н.И.
В формировании лабораторного практикума ―Оптика, атомная
физика, физика твердого тела‖ принимали участие преподаватели
кафедры: Морозова Л.А., Измайлов Г.Н., Одинцова Г.А., Озолин В.В.,
Перминов С.П., Соколова Е.Ю., Храпко Р.И.
Р А З Д Е Л 6
Электростатическое поле. Движение
заряженных частиц в поле
В пространстве, окружающем электрические заряды, существует
электростатическое поле. Напряженность электрического поля
Е
в
рассматриваемой точке – векторная величина, определяемая силой,
действующей на единичный положительный заряд, помещенный в эту
точку
q
)
r
(
F
)
r
(
E
.
(6.1)
Единицы измерения напряженности [E] = 1
Kл
H
= 1
м
B
.
8
Сила взаимодействия двух точечных зарядов q
1
и q
2
в вакууме
определяется законом Кулона
12
2
0
2
1
21
e
r
4
q
q
F
,
(6.2)
где
21
F
- сила, действующая на заряд q
2
со стороны заряда q
1
,
12
e
-
единичный вектор, имеющий направление от заряда q
1
к заряду q
2
.
Из закона Кулона (6.2) и определения напряженности поля (6.1)
следует формула для напряженности поля точечного заряда:
e
r
4
q
)
r
(
E
2
0
(6.3)
Здесь e
- единичный вектор, имеющий направление от заряда к
рассматриваемой точке пространства.
Электрическое поле в среде наряду с напряженностью
характеризуется вектором электрической индукции D
E
D
0
,
(6.4)
где – относительная диэлектрическая проницаемость среды,
0
=
8,85 10
–12
Ф/м – электрическая постоянная.
Единицы измерения индукции [D] = 1
2
м
Kл
.
Направление вектора напряженности в каждой точке можно
наглядно изобразить, пользуясь понятием силовой линии или линии
вектора Е
, касательная к которой в каждой точке совпадает с
направлением вектора напряженности. Густота силовых линий, т.е.
число силовых линий, пересекающих единичную площадку в
направлении нормали к ней, численно равна напряженности поля в
этой точке.
Электрическое поле называется однородным, если во всех его
точках значения вектора напряженности Е
одинаковы, т.е. совпадают
как по модулю, так и по направлению.
Принцип
суперпозиции
(сложения)
электрических
полей:
напряженность электрического поля системы зарядов в произвольной
точке равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых
каждым зарядом в отдельности
i
i
)
r
(
E
)
r
(
E
.
(6.5)
Поток вектора напряженности электрического поля через элемент
поверхности dS:
,
dS
E
d
n
(6.6)
9
где Е
n
– проекция вектора напряженности
электрического поля
)
r
(
E
на вектор нормали к
элементу поверхности (см. рис.6.1)
cos
E
E
n
Поток
вектора
напряженности
через
поверхность S:
S
n
dS
E
(6.7)
Единицы потока напряженности [Ф] = В м.
Теорема Остроградского–Гаусса для вакуума: поток вектора
напряженности электрического поля через произвольную замкнутую
поверхность равен алгебраической сумме зарядов, заключенных
внутри этой поверхности, деленной на электрическую постоянную:
0
i
i
S
n
q
dS
E
.
(6.8)
Теорема Остроградского–Гаусса используется для расчета
напряженности электрического поля заряженных тел, при этом важное
значение имеет выбор вспомогательной (―гауссовой‖) замкнутой
поверхности, через которую рассматривается поток вектора
напряженности Ф
E
.
Для среды теорема Остроградского–Гаусса может быть записана
через вектор электрической индукции (6.4)
S
i
i
n
q
dS
D
.
(6.9)
Энергетической характеристикой поля является потенциал –
скалярная
характеристика
электростатического
поля,
равная
отношению потенциальной энергии U взаимодействия заряда с полем к
величине этого заряда
.
q
U
(6.10)
Потенциальная энергия (ее изменение) равна работе перемещения
заряда из данной точки поля в бесконечность
r
r
d
F
A
U
,
т.е. потенциал поля в данной точке определяется работой поля при
перемещении единичного положительного заряда из данной точки
поля в бесконечность
)
r
(
E
n
dS
Рис. 6.1
n
E
10
r
r
r
d
F
q
A
.
(6.11)
Потенциал поля точечного заряда на расстоянии r от него
определяется формулой:
r
4
q
0
(6.12)
Значение потенциала и потенциальной энергии зависит от выбора
начала отсчета и известно с точностью до произвольной постоянной
U
U
U
r
r
.
Обычно принимается U = 0. Тогда
r
r
U
U
.
Единицы
измерения
электрического
потенциала
B
1
Kл
1
Дж
1
]
q
[
]
U
[
]
[
(Вольт).
Если в данной точке пространства существует несколько полей, то
потенциал результирующего поля равен скалярной (алгебраической)
сумме потенциалов составляющих полей.
i
i
.
(6.13)
Эквипотенциальная поверхность – поверхность, все точки которой
имеют одинаковый потенциал. Эквипотенциальные поверхности
одного поля не пересекаются между собой.
Уравнение эквипотенциальной поверхности получается из условия
φ = const и для точечного заряда имеет вид r = const или
const
z
y
x
2
2
2
. То есть для точечного заряда эквипотенциальные
поверхности представляют собой концентрические сферы, центр
которых совпадает с зарядом.
Работа по перемещению заряда между точками 1 и 2
эквипотенциальной поверхности равна нулю
0
)
(
q
A
2
1
r
r
12
.
Работа поля при перемещении заряда по произвольному
замкнутому контуру длиной l с возвращением в исходную точку:
0
l
dA
(6.14)
Так как
l
d
F
r
d
F
dA
, и согласно (6.1)
E
q
F
, получаем теорему
о циркуляции вектора напряженности электрического поля Е
:
0
d
E
l
l
(6.15)