Лабораторная работа № 3 (А.Е. Тарасов - Электронный учебно-методический комплекс по физике для РТФ (2012))

ОглавлениеЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3................................................................................................................. 21. ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................................... 22. ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ И МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................. 33. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ .............................................................................................

44. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ............................................................................... 4ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ ...................................................................................................... 55. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ .............................................................................................................. 52Лабораторная работа № 3ВЕСЫ НАПРЯЖЕНИЯЦель работы: определение разности потенциалов, приложенной к двум параллельным плоским пластинам, путём измерения силы притяжения этих пластиндруг к другу.1.

ВведениеСвязь между силой взаимодействия пластин F и разностью потенциалов U междуними можно установить следующим образом. Две заряженные пластины, расстояние между которыми равно d, образуют плоский конденсатор (РИС. 1). Нижняяпластина с зарядом –q находится в электростатическом поле, создаваемом верхней пластиной с зарядом +q. Если расстояние между пластинами много меньше ихлинейных размеров, то электрическое поле верхней пластины можно считать однородным. Тогда модуль силы притяжения, испытываемой нижней пластиной,определяется по формуле(1)F  Eq ,где Е – модуль напряжённости поля, создаваемого верхней пластиной в тех точках, где находится нижняя пластина, q – модуль заряда нижней пластины.+qd–qРис. 1Модуль напряжённости электрического поля Е, создаваемого пластиной, в приближении бесконечно большой плоскости, определяется по формулеσ,(2)E2ε0q– поверхностная плотность заряда q на верхней пластине, S – площадьSверхней пластины, ε0 – электрическая постоянная (ε0 = 8,85∙10–12 Ф/м).где σ Заряд q определяется электрической ёмкостью конденсатора С и разностью потенциалов U:(3)q  CU ,ε0 S– электрическая ёмкость плоского конденсатора.dС учётом (2) и (3) модуль силы притяжения пластин F равенгде C εSq2F 0 2 U2 .2ε0 S 2dИз (4) находим разность потенциалов U(4)3U dЕсли пластины круглые ( S 2F.ε0 S(5)πD2, где D – диаметр пластин), то формула (5) при4мет видU2d 2FD πε0.(6)2.

Описание установки и метода измеренийДля определения разности потенциалов, приложенной к двум параллельно расположенным пластинам, служит прибор, называемый весами напряжения(РИС. 2). Медная круглая пластина М укреплена неподвижно на изолированнойподставке; сверху на пластине М расположены эбонитовые изоляторы. Над пластиной помещён диск А из алюминиевой фольги того же диаметра, что и пластинаМ. Эти пластины образуют плоский конденсатор. Для получения однородного поля между пластинами они располагаются на расстоянии d, малом по сравнению сдиаметром D пластин. Диск А подвешен на металлических нитях Н, являющихсяодновременно проводниками, подводящими к диску напряжение, и на металлической пружине П, по удлинению которой .можно определить силу взаимодействияF между пластинами.

При включении напряжения диск А под действием электрического поля притягивается к диску М. Затем, не выключая напряжения, вращением блока Б медленно растягивают пружину до отрыва диска А. В этот моментсила упругости пружины станет равной силе взаимодействия между заряженными пластинами.~ 220 ВПNAHMDРис. 2Закон Гука устанавливает связь между относительным изменением длины телаlи модулем растягивающей (сжимающей) силы F:llF,(7)l E Sгде l – первоначальная длина, S – площадь сечения, Е – модуль Юнга.Силу взаимодействия пластин F, равную силе упругости Fупр, определяют из (7) поабсолютному удлинению пружины Δl:4(8)F  kl ,где k – коэффициент, характеризующий упругие свойства пружины (значение kдано на установке).

Изменение длины пружины Δl определяют с помощью катетометра, показанного на РИС. 3. Перемещением рейки R добиваются совмещениявизирной нити В и метки N на пружине. Отсчёт производят по миллиметровойшкале, нанесённой на стойку, с помощью нониуса С, точность которого 0,1 мм.Измеряемое напряжение подаётся на пластины А и М от вторичной обмотки повышающего трансформатора. В работе определяется амплитудное значение этогопеременного напряжения.RBCРис. 33. Порядок выполнения работы1.

При помощи блока Б опускают диск А до тех пор, пока он, не касаясь эбонитовых изоляторов, подойдёт очень близко к ним (0,5–1 мм).2. Включают тумблер Р, находящийся на корпусе прибора. Под действием электрического поля диск А притянется к диску М и опустится на изоляторы.3. Определяют катетометром положение h1 нижней метки N.4. Медленно вращают блок Б до момента отрыва диска А от изоляторов.5. После затухания колебаний пластины определяют новое положение h2 нижнейметки N.6.

Все операции, указанные в ПП. 1-5, повторить не менее трёх раз. Результаты занести в ТАБЛИЦУ 1.4. Обработка результатов измеренийДанные установки:d = …; D = …; k = …5Таблица 1Определение разности потенциалов№ п/пh1 ммh2, ммl, мF, НU, В123Среднее1. Вычисляют удлинение (деформацию) пружины Δ l  h2  h1 .2. Находят силу взаимодействия по формуле (8).3. Определяют амплитудное значение переменной разности потенциалов U поформуле (6).4. Рассчитывают погрешность U:222F k  h1  h2 ,2F k  (h2  h1 )222 d   D  1  F U  U     . d   D  4 F ε0πималы, ими можно пренебречь). Записыπε0вают окончательный результат.(Относительные погрешностиДополнительное заданиеОтветить на вопросы:а) Как изменится удлинение пружины, если диск А будет иметь меньший диаметр?б) Как вычислить F, если d сравнимо c D?5.

Контрольные вопросы1.2.3.4.В чём заключается метод определения разности потенциалов U?Какие предположения были сделаны при выводе расчётной формулы?Вывести формулу электрической ёмкости плоского конденсатора.Как рассчитывается сила взаимодействия пластин?.