Г.Г. Спирин - Электричество, оптика, атомная физика, физика твёрдого тела, страница 3

Согласно формулам (6.16) – (6.17) найти значениянапряженности поля для точек на оси ОХ:E xixi .i12. Построить график зависимости Ех = f(х) и провести сглаженнуюкривую.Контрольные вопросы1. Как в работе измеряются потенциалы точек электрического поля?2.

На основании каких закономерностей электростатических полейпроводятся силовые линии?3. В чем заключается метод численного дифференцирования длярасчета напряженности поля Ех?15ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 60(к)Теорема Остроградского Гаусса дляэлектростатического поля в вакуумеЦель работы: изучение с помощью компьютерной моделиэлектростатического поля двух зарядов и моделирование полязаданной системы. Определение величины электрической постоянной.Методика измеренийКак известно, силовые линии электростатического поля в вакууменачинаются на положительных и заканчиваются на отрицательныхзарядах.

Рассмотрим несколько зарядов, лежащих в одной плоскости.Количество силовых линий, пересекающих произвольную замкнутуюповерхность, содержащую внутри себя электрические заряды, будетпропорционально количеству силовых линий, пересекающих плоскийзамкнутый контур, ограничивающий сечение этой поверхности.Такое допущение даѐт возможность привести в количественноесоответствие реальное трѐхмерное электростатическое поле с егографической интерпретацией в плоской компьютерной модели,которая показана на рис.6.7.Рис.

6.716Для этого определим число силовых линий Ф, которые фактическидолжны пересекать произвольную замкнутую поверхность, внутрикоторой находится электрический заряд q = 1мкКл. По теоремеОстроградского-Гаусса (6.8) имеем:Фq01 1068,85 10121,13 105 В·м,(6.19)где q суммарный заряд, находящийся внутри нашей поверхности.Откройте окно опыта. В нижнем правом прямоугольнике«Конфигурация» щѐлкните мышью на кнопке «Один заряд». Зацепивмышью, перемещайте движок регулятора величины заряда иустановите значение q1 = +1мкКл.

Подсчитайте число силовых линий0 , выходящих из заряда. Их должно быть 6. Следовательно, силоваялиния в плоской компьютерной модели опыта соответствуетN0ФФ01,13 10561,88 10 4(6.20)линиям реального трѐхмерного кулоновского поля.Таким образом, чтобы вычислить поток Ф поля произвольногосуммарного заряда, надо, во-первых, сосчитать число силовых линийФ+ , выходящих из контура, и число силовых линий Ф– , входящих вконтур.

Во-вторых, получить значение полного потока по формуле:Ф = (Ф+ – Ф–) N0.(6.21)На основании таких допущений и оценок создаѐтся возможностьэкспериментальной проверки теоремы Остроградского-Гаусса спомощьюграфическогокомпьютерногомоделированияэлектростатических полей в данной лабораторной работе.Порядок выполнения работы.Запустить программу, подведя маркер мыши под значок "Открытаяфизика.1.1" на рабочем столе компьютера и дважды щѐлкнув левойкнопкой мыши. Выбрать раздел «Электричество и магнетизм» и«Электрическое поле точечного заряда».Рассмотреть внимательно схему опыта.

Подведя маркер мыши клюбому рычажку несколько раз изменить расстояние между зарядамии величину самих зарядов, наблюдая, как при этом изменяется картинаэлектростатического поля в вакууме.Зарисовать любую картинку в свой конспект лабораторной работы.Дописать, если необходимо, нужные формулы (кнопка с изображениемстраницы служит для вызова теоретических сведений).17Упражнение 1.Изучение электростатического поля постоянногопространственного распределения переменного зарядавнутри замкнутой поверхности.1. Нажать мышью кнопку «Два заряда» в нижнем правомпрямоугольнике «Конфигурация».2.

Зацепив мышью, переместить движок регулятора первого зарядадо установления значения заряда, заданного вашей бригаде.3. Аналогичным образом установить заданное расстояние d междузарядами.4. Установить мышью на кнопке «Силовые линии» галочку.5. Установить величину второго заряда из таблицы 6.2. Подсчитатьчисло силовых линий, Ф– входящих и Ф+ выходящих через границызамкнутого контура, которым в нашем эксперименте будет являтьсяпрямоугольная рамка окна опыта. При этом необходимо внимательносмотреть за направлением стрелок на силовых линиях поля. Записатьэти данные в табл.6.2.Таблица 6.2q1 = _____ мкКл , d =_____м .q2= –2 мкКл q2= –1 мкКл q2 = 0 мкКлq2= +1 мкКл q2= +2 мкКлФ+ ФФ+ Фq=ФФ+ ФмкКл q =ФФ+ ФмкКл q =ФмкКл q =ФФ+ ФмкКл q =ФмкКл6.

Вычислить по формуле (6.21) значение Ф и занести в табл.6.2.7. Последовательно устанавливая величину второго заряда q2 = (–2,–1, 0, +1,+2) мкКл, выполнить п.п. 5,6 ещѐ пять раз.8. Вычислить величину суммарного заряда q по формулеq = q1 + q2и заполнить нижнюю строку табл.6.2.9. Построить по данным табл.6.2 график зависимости потокавектора напряжѐнности Ф от величины суммарного заряда q.10. Определить угловой коэффициент наклона k полученнойпрямой по двум любым точкам А и В для каждого графикаkФВqBФАqAсогласно (6.19) определить электрическую постоянную(6.22)0по формуле1801.k(6.23)Упражнение 2.Исследование зависимости потока вектора напряженностиэлектростатического поля от расстояния между зарядами.1. Установить заданные для вашей бригады значения q1 и q2.2.

Установить минимальное расстояние между зарядами d = 2 м ина экране окна эксперимента подсчѐтом определить числа Ф+выходящих и Ф входящих силовых линий. Занести результаты втабл.6.3.Таблица 6.3q2 = ______мкКл .q1 = _____мкКл,d=2мФ+ Фd = 2,5 мФ Ф+ Фd=3мd = 3,5 мФ Ф+ Ф Ф Ф+ Фd=4мФ Ф+ Фd = 4,5 мФ Ф+ Ф Ф3. Последовательно увеличивая расстояние между зарядами сшагом 0,5м, выполнить п. 2 ещѐ пять раз.4. По данным таблицы 6.3 построить график зависимости потокавектора напряжѐнности Ф от расстояния между зарядами d .5. По всем построенным в лабораторной работе графикам провестианализ результатов и сделать выводы.6.

Оценить погрешность проведенных измерений.Контрольные вопросы1. Как в этой работе вычисляется поток вектора напряжѐнности поплоской компьютерной модели?2. Как в этой работе проверяется справедливость теоремыОстроградского-Гаусса?3. Объяснить графики, полученные в данной работе.ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 74Электронный осциллографЦель работы: изучение параметров гармонических сигналов сиспользованием электронного осциллографа.19Методика измерений и экспериментальная установкаЭлектронныйосциллографслужитдлянаблюденияфункциональной связи между двумя или более величинами(электрическими или преобразованными в электрические).Он предназначен для исследования электрических сигналов вдиапазоне частот от 0 до 5 МГц, амплитудой от 0,02 до 120 В.Основными элементами осциллографа являются: электронно-лучеваятрубка, генератор развертки, усилители отклоняющих пластин, блокпитания.Электронно-лучевая трубкаВ электронно-лучевой трубке для световой индикации используетсяузкий электронный пучок.

Электронно-лучевая трубка представляетсобой стеклянную колбу, откачанную до высокого вакуума (рис.6.8).Внутри нее расположены электронная пушка 1, две пары отклоняющихпластин 2 и флюоресцирующий экран 3.Управляющийэлектрод22Аноды3Катод1Рис. 6.8Электроннаяпушкапредназначенадлясозданиясфокусированного электронного пучка и состоит из следующихэлементов:а) катода косвенного накала, испускающего при нагреванииэлектроны;б) управляющего электрода, имеющего отрицательный потенциалотносительно катода. Изменяя потенциал управляющего электрода,можно регулировать количество вылетающих из электронной пушкиэлектронов, то есть яркость пятна на экране трубки;20в) первого фокусирующего и второго ускоряющего анодов.Потенциал первого анода в несколько раз меньше потенциала второгоанода.

Аноды имеют форму цилиндров с перегородками, в центрекоторых сделаны отверстия. Перегородки служат для улавливанияэлектронов, не удовлетворяющих условиям фокусировки.Рассмотрим фокусирующее действие электрических полей напримере поля между первым и вторым анодами. Характер его показанэквипотенциальными кривыми на рис.6.9. Поле сосредоточено восновном у щели между цилиндрами.FnFEFnFEFFПервый анодВторой анодРис. 6.9Рис.6.8Предположим, что электрон влетает в поле слева направо под угломк оси цилиндров. Пока он пролетает зазор между цилиндрами, полесообщает ему ускорение вдоль оси, и в то же время отклоняет егосначала вниз, а потом вверх.

Следовательно, в полях, обращенныхвыпуклостями эквипотенциальных поверхностей к катоду, электроныпри своем движении будут собираться к горизонтальной оси (действиетаких полей похоже на действие собирающих линз). В полях,выпуклость эквипотенциальных поверхностей которых имеетпротивоположное направление, электроны будут расходиться отгоризонтальной оси (действие таких полей похоже на действиерассеивающих линз).Отклоняющие пластины. На пути к экрану электронный пучокпроходит между двумя парами отклоняющих пластин.

Напряжения,приложенные к пластинам, создают между ними электрические поля,которые отклоняют электронный луч и перемещают светящееся пятнопо экрану. Горизонтально расположенные пластины отклоняют луч повертикали (вдоль оси Y), а вертикально расположенные – погоризонтали (вдоль оси Х).Установим связь между напряжением u на пластинах А и В ивеличиной смещения пятна на экране (рис.6.10).21Yy2АВторойанодЕv0y1dZВХlLРис. 6.10Электрон влетает в однородное электрическое поле со скоростьюv0 = vz.