Материал: 2863

5. Постройте график зависимости силы тока IA от напряжения UV и обсудите, выполняется ли закона Ома в

условиях данной работы.

6. Микрометром измерьте диаметр d проволоки в трех различных местах вдоль длины L проводника. Используя средние значения сопротивления R и диаметра d , по формуле

ρ = π Rd2

4L

рассчитайте удельное сопротивление ρ проводника. Сравните

полученное значение ρ с табличным значением ρтабл =10,5 10−6 Ом м.

7. По результатам одного из измерений рассчитайте погрешность определения удельного сопротивления

ρ = ε ρ , где относительная погрешность удельного сопротивления

8.При расчете погрешностей εU , εI и εL используйте приборные

погрешности соответствующих величин. Величина наибольшей погрешности из приборной или случайной.

9. Определите зависимость сопротивления R проводника от его длины L . Для этого проведите измерения по пункту 4 для других значений длины проводника (например, для L = 15, 20, 25, 30, 35, 40 см). Используя средние значения R для каждой длины проводника, постройте график

зависимости R(L) и сделайте вывод о полученной зависимости.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Дать определение физических величин: сила тока; электрическое напряжение, сопротивление, удельное сопротивление проводника.

2.Вывести формулы (6) и (7).

3.По какой схеме ("а " или "b ") (рис.5) следует проводить измерения для более точного определения сопротивления R при следующих соотношениях сопротивлений:

Библиографический список 1. Трофимова Т.И. Курс физики. 2000. §§ 96-100.

Лабораторная работа № 4.2 (23)

ИЗУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКОГО ПОЛЯ

Цель работы: изучение основных характеристик электростатического поля; исследование электростатического поля методом моделирования.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МИНИМУМ

Электростатическое поле

Электрическое поле – одна из форм материи, существующая в пространстве вокруг электрических зарядов. Взаимодействие электрически заряженных тел осуществляется посредством электрического поля. Поле неподвижного заряда называется электростатическим. Источником электрического поля может быть и переменное магнитное поле.

Напряженность электрического поля

Наличие электрического поля проявляется в его силовом воздействии на электрический заряд. Это используется для определения силовой характеристики поля. Напряженностью электрического поля называется

векторная величина, равная отношению силы F , действующей на положительный пробный заряд qo , помещенный в данную точку поля, к

величине этого заряда

направлению, если определен вектор E для каждой точки поля.

Сила, действующая со стороны поля на произвольный точечный заряд q

Принцип суперпозиции полей

Напряженность электрического поля системы электрических зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых всеми зарядами системы

i

Силовые линии электрического поля

Для наглядного изображения электрического поля используют линии напряженности (силовые линии). Линией напряженности электрического поля называется линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряженности электрического поля (сплошные линии на рис.1). Число линий, пронизывающих единицу поверхности

площадки, перпендикулярной к силовым линиям, характеризует численное

значение величины E в данной области пространства.

В однородном электростатическом поле густота и направление силовых линий одинаковы по всему объему поля.

Линии напряженности электростатического поля начинаются на положительном заряде (или в бесконечности) и заканчиваются на отрицательном заряде (или в бесконечности).

Работа сил электростатического поля по перемещению заряда

Работа, совершаемая силами электростатического поля при перемещении заряда qo из точки 1 в точку 2, равна

11

где F = qоE - сила, действующая на заряд qo в точке поля с напряженностью

E ; α – угол между векторами E и dl .

Электростатическое поле потенциальное, т.е. работа А не зависит от траектории перемещения заряда qo и определяется только его начальным и

конечным положением, а работа при перемещении заряда по замкнутому контуру равна нулю. В этом случае работа может быть выражена в виде разности потенциальных энергий в начале и в конце пути:

Потенциал является энергетической характеристикой поля и равен работе, которую надо совершить против сил электрического поля при перенесении

единичного положительного заряда из бесконечности, где потенциальная энергия условно считается равной нулю, в данную точку поля.

Согласно этому определению работа по перемещению заряда qo в

электростатическом поле из точки 1 в точку 2 определяется разностью потенциалов этих точек:

где ϕ = ϕ2 − ϕ1.

Эквипотенциальные поверхности

Для наглядной интерпретации потенциала вводят, наряду с силовыми линиями поля, эквипотенциальные поверхности, или поверхности равного потенциала, образованные совокупностью точек, имеющих одинаковый потенциал ϕ =const . На плоскости эти поверхности вырождаются в

эквипотенциальные линии (пунктирные линии на рис. 1). При перемещении заряда вдоль эквипотенциальной поверхности работа не совершается, так как ϕ = 0. Силовые линии поля всюду ортогональны эквипотенциальным

поверхностям (рис. 1).

Связь потенциала с напряженностью поля

Работу электростатического поля по перемещению заряда qo вдоль

малого участка l силовой линии из точки 1 в точку 2 (рис. 2) можно выразить двумя способами:

Из этих двух соотношений следует, что среднее значение напряженности поля в области между точками 1 и 2

Значение Е в каждой точке поля определяется

В векторной форме это соотношение имеет вид:

направление которого в пространстве совпадает с направлением наискорейшего возрастания

потенциала, а величина равна dϕdl , т.е. приращению потенциала на единице длины в этом направлении. Таким образом, напряженность

электрического поля равна взятому с обратным знаком градиенту потенциала поля. Знак "минус" в формуле (11) указывает на то, что вектор

напряженности поля E направлен в сторону убывания потенциала.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Изучение электростатического поля заключается в нахождении напряженности E и потенциала ϕ электростатического поля в различных точках пространства. Практически легче найти значение ϕ , а затем по

формуле (11) определить E . Именно такой прием исследования поля используется в данной работе.

Исследование электростатического поля в непроводящей (диэлектрической) среде связано с большими экспериментальными трудностями. Значительно проще изучать электрическое поле в проводящей среде, в которой протекает электрический ток. Если соблюдать определенные правила моделирования, то электрические поля

впроводящей и непроводящей среде будут одинаковыми. Например, если

воднородной проводящей среде находятся два металлических проводника (электрода), между которыми поддерживается постоянная разность потенциалов, то электрическое поле постоянного тока, протекающего в

среде, эквивалентно электрическому полю, создаваемому этими же электродами в вакууме. На этом основан метод моделирования

электростатического поля.

Схема установки, которая используется в данной работе, приведена на рис. 3. Моделирование электростатического поля осуществляется в электролитической ванне, изготовленной из диэлектрического материала. В качестве проводящей среды применяется слабый электролит, которым является обыкновенная водопроводная вода. Толщина слоя воды в ванне около 5 мм.

В воду помещены два электрода А и В, на которые подается напряжение U от источника постоянного тока. Для изучения электрического поля используется металлический зонд С, соединенный через гальванометр G с подвижным контактом D потенциометра R. Потенциометр подключён параллельно электролитической ванне, поэтому разность потенциалов между точками 1 и 2 равна разности потенциалов между электродами ванны. Потенциал точки D имеет промежуточное значение между потенциалами точек