Федеральное агентство связи 

Сибирский Государственный Университет Телекоммуникаций и Информатики 

Межрегиональный центр переподготовки специалистов 
 
 
 
 
 
 
 
 

                               Лабораторная работа 3.1

По  дисциплине: _Физика_

                                    
 
 
 
 

                                      Выполнил: __Ехлаков А.А__

                                      Группа: _____СДТ-03______

                                      Вариант:______14________

                                            
 

                                      Проверил: __Грищенко И.В.

Лабораторная  работа 1 не зачтена. Исправьте работу в соответствии со сделанными замечаниями  и пришлите исправления  в этом же файле. Замечания не стирайте. 
 
 
 
 
 

Новосибирск, 2010 г.

                   Изучение характеристик электростатического поля

1. Цель работы.

2. Основные теоретические сведения.

3. Описание лабораторной установки.

4. Задание.

5. Контрольные вопросы.

6.  Литература. 

1.Цель работы. 

     Исследовать электростатическое поле, графически изобразить сечение эквипотенциальных поверхностей и силовые линии для некоторых конфигураций поля. 

2. Основные теоретические сведения. 

     Любое заряженное тело создает в пространстве вокруг себя электромагнитное поле и взаимодействует с внешним электромагнитным полем. Поле, создаваемое  неподвижными зарядами, называется электростатическим. Существуют положительные и отрицательные заряды.

Одноимённые заряды отталкиваются. Разноимённые заряды притягиваются.Рис.1 Заряженные элементарные частицы –электрон(отрицательный заряд)и протон(положительный заряд), . Силовые линии (линии напряжённости), касательные к которым, в каждой точке совпадают по направлению с вектором напряжённости в этой точке. Силовые линии непрерывны и не пересекаются.

                                   Поле двух точечных зарядов

 

                                                       Рис.1

    Электростатическое поле в каждой точке пространства характеризуется двумя величинами: напряженностью и потенциалом. Силовая характеристика поля- напряженность- векторная величина, численно равная силе, действующей на единичный положительный точечный заряд, помещенный в данную точку поля:

Cила, действующая со стороны электрического поля на точечный заряд, равна:                       

Энергетическая  характеристика электрического поля- потенциал- скалярная величина, численно равная потенциальной энергии единичного точечного положительного заряда, помещенного в данную точку поля. Измеряется в вольтах: [1В= 1Дж/1Кл]. Потенциал определяется с точностью до произвольной постоянной и может принимать положительные и отрицательные значения. Физический же смысл имеет величина- разность потенциалов. Разность потенциалов связана с работой сил электрического поля по перемещению точечного заряда следующим образом:

                                

j₁ и j₂- потенциалы начальной и конечной точек положения заряда q.

      Закон Кулона. Сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

                          ,        где ,

 

 

      Если поле создаётся несколькими зарядами, то результирующая напряжённость в данной точке есть векторная сумма напряжённостей, созданных отдельными зарядами в той же точке.

                   

Напряжённость и потенциал связаны между собой градиентом потенциала. Градиент потенциала показывает изменение потенциала вдоль нормали к эквипотенциальной поверхности. Градиент потенциала направлен в сторону обратную направлению напряжённости поля. 

 

Вектор напряжённости – это силовые линии поля. Поскольку работа по перемещению заряда вдоль эквипотенциальной поверхности равна нулю, то исходя из формул можно показать, что в каждой точке вектор напряженности электрического поля перпендикулярен эквипотенциальной поверхности и направлен в сторону уменьшения потенциала. Т.е. силовые линии перпендикулярны эквипотенциальным поверхностям. 
 
 

3. Описание лабораторной установки. 

 
 
 

Установка Рис.2 представляет собой прямоугольную ванну с электролитом, в которую погружены два электрода. Электроды присоединены к источнику постоянного низковольтного напряжения. Один из электродов через вольтметр связан с подвижным зондом ( курсор ). Вольтметр показывает напряжение между  отрицательно заряженным электродом и точкой в ванне, в которую помещен зонд.

 

4. Задание.   

1.Получить графическое изображение электрического поля при различных положениях электродов. Начертить дважды сечение ванны (Два прямоугольника с размерами: по вертикали 16 делений и по горизонтали 20 делений), нанести координатную сетку, изобразить электроды. В первом случае электроды представляют собой два тонких кольца радиусом 1 см, во втором- отрицательно заряженная плоскость и положительно заряженное тонкое кольцо радиусом 1 см.

2. Установить зонд в какую-либо точку ванны. Вольтметр покажет напряжение между этой точкой и отрицательно заряженным электродом. Найти в ванне точку с показанием вольтметра 1В. Отметить ее на чертеже. Далее найти другую точку с таким же показанием вольтметра. Это означает, что разность потенциалов между двумя найденными точками равна нулю, следовательно, они находятся на одной эквипотенциальной поверхности. Отметить вторую точку на чертеже. Найдите еще три точки с таким же показанием вольтметра. Соединить полученные точки линией. Это и есть эквипотенциальная линия. Эквипотенциальные линии должны начинаться и кончаться вблизи краев ванны.

3. Повторить измерения по п.2 для 2В, 3В, …, 9В. На чертеже получится изображение эквипотенциальных линий.

4. Проделать измерения по п.2 и п.3 для второй ванны.

5. На чертежах с изображением эквипотенциальных линий нанести силовые линии (по 5 силовых линий на каждую ванну).

6. В точках с координатами (4,8), (10,8) и (17,8) оценить величину напряженности электрического поля по формуле (11).

      , где разность потенциалов между соседними эквипотенциальными линиями. кратчайшее расстояние между ними.    Точка  

              

            

Расстояние  между точками по прямой силовой  линии будет:

От т. А-В=3см=0,033

         В-С=3,5см=0,035

         А-С=6,5см=0,065

Найдём  разность потенциалов точек А  и В 

                                                  Точек В и С 

                                                Точек А и С  

Найдём напряжённость в точках- А, В, С.

               

  

               

Единицы измерения потенциала: Вольт, единицы измерения  напряженности электрического поля: В/м.

Обратите  внимание на то, как  примерно должны выглядеть Ваши рисунки

Красным цветом показаны эквипотенциальные  поверхности, лиловым  – силовые линии. Силовые линии  перпендикулярны  эквипотенциальным  поверхностям. Красная  точка имеет координаты (4,8). Рассчитаем для нее  напряженность поля. Слева от нее находится эквипотенциальная линия с потенциалом 7 В, а справа – линия с потенциалом 6 В. Расстояние между ними составляет 2 см (на данном рисунке 1 клетка соответствует 2 см). Получаем по формуле (11) . Таким же образом производим расчет для остальных случаев. 

Работа над  ошибками:

6. В точках с координатами (4,8), (10,8) и (17,8) оценить величину напряженности электрического поля по формуле (11).

      , где разность потенциалов между соседними эквипотенциальными линиями. кратчайшее расстояние между ними. 

1 условие.

     Находим точку с координатами (4,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 7В справа 6В, расстояние между ними 2 см. 1 клетка 1см. тогда    

    Находим точку с координатами (10,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 6В справа 4В, расстояние между ними 11 см.

Тогда

    Находим точку с координатами (17,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 4В справа 2В, расстояние между ними 2 см.

Тогда

2 условие.

     Находим точку с координатами  (4,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 3В справа 4В, расстояние между ними 4,8 см. 1 клетка 1см. тогда    

     Находим точку с координатами (10,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 4В справа 5В, расстояние между ними 6 см. тогда    

     Находим точку с координатами (17,8),слева от неё находится эквипотенциальная линия 6В справа 7В, расстояние между ними 1 см. тогда