Результати вимірювань та обчислень

 

№ п/п	Діаметр кульки   di, м	Відрізок шляху   li, м	Час падіння кульки ti, с	Швидкість падіння , м/с	Густина r, кг/м^3	Коефіцієнт в’язкості <h>,
кульки	рідини
–

 

За вказівкою викладача визначити похибки вимірювань фізичних величин.

 

Питання для самоперевірки

 

1. Записати і сформулювати закон Архімеда.

2. Записати і сформулювати закон Стокса.

3. Записати формулу, за якою в лабораторній роботі визначається коефіцієнт динамічної в’язкості рідини h.

4. Вивести одиницю вимірювання коефіцієнта динамічної в’язкості h.

5. Від чого залежить коефіцієнт в’язкості рідини?

6. Записати формулу, що зв’язує коефіцієнт динамічної в'язкості h з коефіцієнтом кінематичної в'язкості .

7. Вивести одиницю вимірювання коефіцієнта кінематичної в’язкості v.

8. Які сили діють на кульку, що падає у в’язкій рідині?

9. Чому, починаючи з деякого моменту часу, кулька рухається в рідині рівномірно?

10. Як зміниться швидкість руху кульки в рідині при збільшенні діаметру кульки?

 

Лабораторна робота № 7

 

ДОСЛІДЖЕННЯ ЕЛЕКТРОСТАТИЧНОГО ПОЛЯ

 

Мета роботи: експериментально дослідити конфігурацію електростатичного поля між металевими електродами.

Прилади та обладнання: джерело постійної напруги, пластина з електродами, вольтметр, гальванометр, потенціометр, металевий зонд, перемикач, з’єднувальні провідники, папір.

 

Теоретичні відомості

 

Нерухомий електричний заряд створює у просторі електростатичне поле, яке проявляється за силовою дією на вміщений у будь-яку точку поля інший заряд.

Електростатичне поле має дві характеристики – силову та енергетичну. Кількісна силова характеристика називається напруженістю електростатичного поля . Ця фізична величина є векторною і в даній точці електростатичного поля чисельно дорівнює силі , з якою поле діє на одиничний позитивний точковий заряд q ₀, що знаходиться в даній точці поля:

. (1)

Електростатичне поле зручно зображувати у вигляді силових ліній. Густина силових ліній характеризує числове значення напруженості, а дотичні до них у кожній точці збігаються з напрямом вектора напруженості .

Силові лінії починаються на позитивних зарядах і закінчуються на негативних, вони ніде не перетинаються, тому що в кожній точці поля вектор має лише один напрямок.

Енергетичною характеристикою електростатичного поля є потенціал. Він чисельно дорівнює роботі A, яку виконують сили поля при перенесенні одиничного позитивного точкового заряду з даної точки поля в нескінченість:

. (2)

Різниця потенціалів (напруга) між двома точками поля визначається роботою по переміщенню одиничного позитивного точкового заряду з однієї точки простору в іншу:

. (3)

Геометричне місце точок з однаковим потенціалом називається еквіпотенціальною поверхнею. Лінії напруженості в кожній точці ортогональні до еквіпотенціальних поверхонь. Дійсно, при переміщенні заряду вздовж еквіпотенціальної поверхні робота, яка згідно (3) визначає різницю потенціалів між двома точками поля, дорівнює нулю (потенціал не змінюється). З іншого боку за визначенням DA=F×Dl ×cos a =0. У цій формулі переміщення Dl відбувається вздовж еквіпотенціальної поверхні, а сила спрямована вздовж силової лінії. Обидві ці величини (Dl і ) не дорівнюють нулю, таким чином, cos a = 0 і відповідно a = 90⁰.

Зв'язок між напруженістю електростатичного поля та потенціалом описується співвідношенням:

, (4)

де – градієнт, який пов’язує скалярну величину (потенціал φ) з векторною (напруженість ). Знак "–" вказує на те, що вектор напруженості електростатичного поля спрямований в бік зменшення потенціалу.

На рис. 1 зображений переріз площиною рисунка картини розподілу еквіпотенціальних поверхонь і силових ліній для електростатичного поля двох протилежно заряджених кульок. У цьому випадку за напрям зміни потенціалу вибираємо напрям силової лінії.

 

Рис. 1.

 

Опис методу

 

Можна показати, що розподіл поля в непровідному середовищі (вакуум чи повітря) зберігається, якщо положення електродів не змінювати і простір між ними заповнити електролітом. Але дослідження електростатичного поля та його характеристик у провідному середовищі значно простіше, ніж у непровідному. У цьому випадку достатньо виміряти електричні потенціали точок поля, користуючись методом зонду (металевого щупа). Змінюючи потенціал на зонді, можна домогтися того, що сила струму через зонд буде дорівнювати нулю. Це відбувається тоді, коли потенціал в досліджуваній точці поля дорівнює потенціалу на зонді.

У цій роботі досліджується конфігурація електростатичного поля між двома плоскими електродами. Електроліт замінює зволожений папір.

Електрична схема установки для проведення експерименту показана на рис. 2. Плоска прямокутна пластина з діелектрику є основним елементом установки. На неї кладуть вологий аркуш паперу і щільно його притискають до електродів.

Від джерела постійного струму на електроди пластини безпосередньо, або через потенціометр подають напругу. При цьому між електродами виникає постійне електричне поле з відповідним розподілом потенціалу, який вимірюють методом зонду. Із схеми видно, що металевий зонд з'єднаний через гальванометр з середньою точкою потенціометру. Такий же потенціал можна знайти на папері між електродами. Переміщуючи вздовж пластини металевий зонд, знаходять таке його положення, при якому гальванометр покаже нуль. Тоді потенціал у даній точці пластини дорівнює потенціалу, що його показує вольтметр, тобто відповідна різниця потенціалів дорівнює нулю, і струм через гальванометр не протікає. Повторюючи цю операцію при інших положеннях рухомого контакту реостата, що відповідають різним потенціалам на зонді, можна визначити потенціали всіх точок на зволоженому папері.

 

Порядок виконання роботи

 

1. Зібрати електричну схему (рис. 2), покласти вологий папір на пластину.

2. За допомогою потенціометра, контролюючи напругу вольтметром, подати на зонд напругу 1В. За допомогою зонду знайти точку на папері, в якій потенціал дорівнює 1В (при цьому гальванометр покаже нуль), позначити цю точку. Змінюючи положення зонду поперек аркушу паперу, знайти інші точки, в яких потенціал також дорівнює 1В. З'єднавши всі точки з однаковим потенціалом 1В лінією, одержимо еквіпотенціальну криву. Контури електроду також є лініями рівного потенціалу.

3. Аналогічним методом знайти точки з потенціалом 2В, 3В, 4В і так далі в межах досліджуваного поля. Для цих потенціалів побудувати еквіпотенціальні лінії.

 

 

Рис. 2.

 

4. Побудувати лінії напруженості електростатичного поля (силові лінії) від одного електрода до другого, використовуючи одержані еквіпотенціальні лінії.

5. За вказівкою викладача обчислити середню напруженість електростатичного поля у двох-трьох точках, використовуючи формулу , де Dl – відстань між двома сусідніми еквіпотенціальними лініями (див. рис. 1).

 

Питання для самоперевірки

 

1. Що називається електричним полем? У чому полягає основна властивість електричного поля?

2. Дати визначення напруженості електростатичного поля.

3. Записати і сформулювати принцип суперпозиції електростатичних полів.

4. Що називається потенціалом електростатичного поля? Записати формулу, що показує зв’язок напруженості та потенціалу електростатичного поля.

5. Дати визначення графічним характеристикам електростатичного поля.

6. Що називається еквіпотенціальною лінією?

7. Який напрям має вектор градієнта потенціалу?

8. Пояснити, як в лабораторній роботі визначається потенціал даної точки електростатичного поля.

9. Як в лабораторній роботі розраховується значення і визначається напрям вектора напруженості електростатичного поля?

10. Яким чином у лабораторній роботі визначається знак зарядів на кожному з двох електродів?

Лабораторна робота № 8