Авторы: И.А. Божко, В.И. Веретельник, Ю.А. Грибов, Е.Е. Дерюгин, С.Ф. Киселёва, А.А. Клопотов, Л.А. Лисицына, Е.Л. Никоненко, В.П. Пашко, Т.М. Полетика, Н.Р. Сизоненко, М.И. Соловьева, Ю.В. Соловьева, С.В. Старенченко, А.С. Тайлашев, Л.А. Теплякова, Л.И. Тришкина, М.В. Федорищева, Т.В. Черкасова, Ю.П. Шаркеев

УДК 53(076.5) Ф 50

Физический практикум [Текст] : в 3 т. Т. II : Электричество. Магнетизм : учебное пособие / под ред. С.В. Старенченко. – Томск : Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, 2010. – 212 с.

ISBN 978-5-93057-373-2.

Учебное пособие представляет собой физический практикум по курсу общей физики по разделам электричество и магнетизм, включающий 12 наименований лабораторных работ. Практически каждая работа включает два варианта выполнения. Это могут быть реальное и компьютерное моделирование явления или различные задания, соответствующие общей теории. Пособие предназначено для студентов общеобразовательного факультета, ИЗиДО и ЗФ, а также для студентов всех инженерно-технических специальностей, изучающих курс физики.

Рецензенты:

доктор физико-математических наук,

2

выполняет тот или иной вариант работы, также он может получить дополнительное задание.

Как и в первом томе в данную книгу включены как экспериментальные , так и компьютерные лабораторные работы, моделирующие физические процессы. Кроме этого, здесь

присутствуют реально-виртуальные лабораторные работы , которые выполняются на экспериментальной установке, а измерительный процесс осуществляется компьютером. Некоторые явления и законы, представленные в лабораторных работах, могут изучаться как методом реального эксперимента, так и методом виртуального эксперимента или реально-виртуальным.

Предлагаемые лабораторные работы подобраны таким образом, что их выполнение и подготовка позволяют углубить и расширить излагаемый лекционный материал. Для выполнения лабораторных работ студент самостоятельно готовится, используя при этом методические указания, включенные в данный практикум, и теоретический материал, прочтенный на лекциях. В данный практикум включены также лабораторные работы по темам, предлагаемым для самостоятельного изучения, т. е. не обсуждаемые на лекциях. В этом случае студент изучает теоретический материал по учебникам и закрепляет его в практических действиях на лабораторном занятии. Также здесь присутствуют работы, содержащие элементы исследовательского характера, которые могут быть предложены в качестве курсовой работы

втех потоках, где это предусмотрено учебным планом.

Вкаждой лабораторной работе проводятся измерения физических величин, которые вносятся в таблицы, определяются средние величины, строятся графики, рассчитываются по необходимым формулам новые параметры и физические величины. Все эти действия студенты должны выполнять, пользуясь возможностями компьютера, а преподавателям следует обязательно контролировать эту часть выполнения работы.

4

Для того чтобы обучающемуся эффективно освоить лабораторный практикум, кратко осветим действия, которые необходимо выполнять для осуществления результативной работы.

I. При подготовке к выполнению лабораторных работ:

1.Ознакомьтесь с методическими указаниями к работе.

2.Изучите теоретический материал, привлекая дополнительную информацию, используя сведения из учебников, интернета.

3.Ознакомьтесь с описанием установки и детально проработайте порядок выполнения работы.

4.Ознакомьтесь с необходимыми для расчета физических величин формулами.

5.Продумайте особенности построения графиков.

6.Дайте ответы на контрольные вопросы.

II. При выполнении лабораторных работ:

1.Получите допуск у преподавателя, рассказав о теоретических основах изучаемого явления, о цели работы, о методе выполнения, о необходимых измерениях.

2.Ознакомьтесь с установкой на рабочем месте.

3.Включите установку и выполните измерения.

4.Постройте необходимые графики, выполните необходимые расчёты.

5.Сделайте письменный отчёт о работе.

III. При подготовке к защите лабораторных работ:

1.Изучите теоретический материал, соответствующий теме защищаемой лабораторной работы.

2.Проконтролируйтесебя, ответивнаконтрольныевопросы.

3.Проанализируйте результаты математической обработки экспериментальных измерений.

Данный практикум является результатом коллективной деятельности преподавателей кафедры физики Томского государственного архитектурно-строительного университета, каждый участник внес достойный вклад в его подготовку:

5

И.А. Божко (ЛР 4, 6), В.И. Веретельник (ЛР 8), Ю.А. Грибов (ЛР 6), Е.Е. Дерюгин (ЛР 5), С.Ф. Киселёва (ЛР 7), А.А. Клопотов (ЛР 8, 9, 10, 11, 12), Л.А. Лисицына (ЛР 12), Е.Л. Никоненко (ЛР 5, 7), В.П. Пашко (ЛР 5), Т.М. Полетика (ЛР 3), Н.Р. Сизоненко (ЛР 5), М.И. Соловьева (ЛР 11), Ю.В. Соловьева (ЛР 2), С.В. Старенченко (ЛР 2, 5), А.С. Тайлашев (ЛР 9), Л.А. Теплякова (ЛР 4, 6), Л.И. Тришкина (ЛР 8, 10), М.В. Федорищева (ЛР 1), Т.В. Черкасова (ЛР 12), Ю.П. Шаркеев (ЛР 2).

Общая редакция практикума выполнена профессором С.В. Старенченко.

6

Лабораторная работа № 1 ИССЛЕДОВАНИЕ ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучение основных свойств электростатических полей, создаваемых заряженными телами разной конфигурации, построение системы эквипотенциальных поверхностей и линий напряженности, расчётвеличин напряженности в разных точках поля

2. ПРИБОРЫ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Плоская прямоугольная подставка, проводящая бумага, координатная сетка, набор электродов, моделирующий источник постоянного тока и цифровой милливольтметр, компьютер.

3.ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1.Электрический заряд

Заряд – это физическая величина, характеризующая меру участия тела в электромагнитном взаимодействии. Тело, обладающее зарядом, само может создавать электромагнитное поле, и только на такое тело электромагнитное поле может действовать. Единица измерения заряда – кулон (Кл).

Заряд обладает следующими свойствами:

1.Заряд тела не зависит от скорости eго движения, то есть

влюбой системе отсчета величина заряда данного тела одинакова. Это свойство называют инвариантностью заряда.

2.Полный заряд замкнутой системы тел не изменяется со временем при любых процессах (например, при химических или ядерных реакциях), т. е. сохраняется. Таким образом, существует закон сохранения заряда, подобно тому, как существует закон сохранения энергии или импульса.

3.Существует два вида зарядов, условно называемых положительными и отрицательными, которые различаются по типу взаимодействия между ними: одноименные заряды отталки-

8

r – радиус-вектор, проведенный из точки местонахождения заряда q, создающего электрическое поле, в точку наблюдения.

Поэтому отношение F / q0 не зависит от величины пробно-

го заряда и характеризует электростатическое поле в той точке, где этот заряд находится. Эта величина является силовой характеристикой электростатического поля и называется напряжен-

ностью электростатического поля.

Напряженность E электростатического поля в данной точке есть физическая величина, определяемая силой, действующей на положительный единичный заряд, помещенный в эту точку:

Направление вектора E совпадает с направлением силы, действующей на положительный заряд. Из формулы (1.1) следует, что единица напряженности электростатического поля – ньютон на кулон (Н/Кл): 1 Н/Кл – напряженность такого поля, которое действует на единичный положительный заряд 1 Кл силой 1 Н.

Напряженность поля точечного заряда на расстоянии r в cкалярной форме:

= I) и 0 – электрическая постоянная, 0 = 8,85 10–12 Ф/м. Электростатическое поле можно задать, указав для каж-

дой точки величину и направление вектора напряженности по-

ля E . Графически электростатическое поле изображают с по-

мощью линий напряженности (силовых линий), которые проводят так, чтобы касательные к ним в каждой точке пространства совпадали по направлению с вектором напряженности в данной точке. Если поле создается точечным зарядом, то линии напряженности – радиальные прямые, выхо-

10