Описания приборов, используемых в теме

ИНСТРУКЦИЯ

К лабораторной работе №18

Электростатика

Лабораторная работа №18. ЭЛЕКТРОСТАТИКА

Инструкция по выполнению работы

Цель работы: Научиться разрабатывать экспериментальные установки, проводить опыты по разделу «Электростатика».

Задание 1. Изучите по школьному учебнику тему «Электростатика» (10 класс). Повторите основные знания, которые должны быть усвоены учащимися в этой теме и выпишите в тетрадь формулировки суждений, относящихся к опытам, перечисленным в задании 3.

Задание 2. Изучите по описаниям и инструкциям следующие приборы:

1) весы чувствительные с принадлежностями;

2) электрометры с принадлежностями;

3) конденсатор разборный;

4) машина электрофорная;

5) сетка металлическая с бумажными листочками;

6) прибор для демонстрации спектров электрического поля (султаны)

7) преобразователь высоковольтный «Разряд-1».

8) маятники электростатические

Задание 3. Разработайте принципиальные схемы и смонтируйте с помощью имеющихся приборов экспериментальные установки для следующих опытов:

1)электризация тел (сообщение телам заряда):

а) трением;

б) через влияние (посредством электростатической индукции);

2) взаимодействие заряженных тел:

а) заряженного и незаряженного;

б) одноименно заряженных;

в) разноименно заряженных;

3) закон Кулона;

4) моделирование силовых линий электрического поля;

5) распределение заряда на поверхности проводника;

6) введение понятия электроемкости;

7) исследование электроемкости плоского конденсатора.

Задание 4.Подготовьтесь к проведению экспериментов с собранными ЭУ по следующему плану:

1. Цель эксперимента;

2. Разработка метода эксперимента;

3. Проектирование и конструирование ЭУ (или описание готовой ЭУ);

4. Составление плана проведения эксперимента;

5. Анализ полученных результатов;

6. Формулирование вывода из опыта;

7. Формулирование эмпирического вывода;

8. Теория эксперимента.

Задание 5.Подготовьте письменный отчет по выполнению лабораторной работы, включив в него:

1. Название работы; Цель работы;

2. Результаты выполнения задания №1 в форме таблицы:

3. Краткое описание приборов, используемых в работе, в форме таблицы:

4. Описание экспериментов по указанному в задании 4 плану с рисунками ЭУ.

Описания приборов, используемых в теме

Весы чувствительные с принадлежностями(рис.1) предназначены для измерения малых сил в опытах по аэродинамике, электростатике, электромагнетизму и пр.

Рис.1

Весы представляют собой неравноплечий рычаг 1, вращающийся вокруг оси 2, снабженный справа противовесом 3, который вращением можно перемещать по винтовой резьбе. На рамке 4 нанесена шкала из 30 делений. С тыльной стороны рамки можно ввинчивать стальной стержень, служащий для удобства установки-прибора на штативе. На оси рычага имеется блок, в котором снизу сделано гнездо. В гнездо можно вставлять держатель (проволоку), который стопорится вин­том 5. Вдоль стрелки рычага перемещаются грузики (рейтеры) в виде изогнутой пластины массой от 0,1 до 1 г, что позволяет урав­новешивать силу, действующую на тело с держателем.

В комплект весов входят те­ла разной формы (для изучения законов аэродинамики) и одина­ковые металлические шарики, служащие для изучения электри­ческого взаимодействия. Шарики укреплены на изолирующих стер­жнях с проволочными держате­лями.

Перед началом работы на стрелку прибора устанавливают соответствующий рейтер у нуле­вого деления, а затем вращени­ем противовеса уравновешивают ве

сы, проверяя состояние равно­весия по совпадению конца ры­чага стрелки с указателем на рамке.

Электрометры с принадлежностями (рис.2) служат для измерения раз­ности потенциалов, обнаружения электрически заряженных тел и определения рода заряда.

Рис.2

Промышленность выпускает комплекты, в которые входят два электрометра, три полых шара, два из ко­торых имеют одинаковые размеры, два диска, два острия, про­водник с изолирующей ручкой и пробный шарик с изолирующей ручкой.

Электрометр представляет собой металлический цилиндрический застекленный корпус, закрепленный на подставке. Сверху через изолирующую втулку пропущена металлическая трубка, на нижнем конце которой смонтирован стержень с легкоподвижной стрелкой. Рядом с втулкой смонтирован арретир (проволочный рычаг), с помощью которого можно застопорить стрелку на период хранения и транспортировки. Внизу внутри корпуса имеется шкала, а снаружи - зажим. Шары и диски можно устанавли­вать на верхнем конце трубки элек­трометра. Каждое острие может быть установлено в специальном гнезде большого шара.

Конденсатор разборный(электро­фор) (рис.3) предназначен для получения электрических зарядов путем электро­статической индукции, а также для демонстрации опытов при изучении устройства и действия конденсатора и проведения опытов по электростатике.

Рис.3

Прибор состоит из двух металли­ческих дисков со съемными изоли­рующими ручками, которые можно устанавливать на подставке со специальными пазами. Между дисками помещается пластина из диэлектрика (оргстекла).

Применяя прибор, можно продемонстрировать разные опыты: по электризации тел, исследования электроемкости плоского конденсатора и др.

Чтобы продемонстрировать электризацию тел, поступают следую­щим образом. Пластину из диэлектрика кладут на стол и нати­рают мехом (сукном, куском бумаги) быстрыми движениями руки в течение 10—20 с. При этом на пластине образуется отрицатель­ный заряд. Держа за изолирующую ручку, диск кладут на пла­стину. На поверхности диска, обращенной к пластине, индуциру­ется положительный заряд, а на внешней поверхности —отрица­тельный. Не снимая диска с пластины, пальцем касаются внешней поверхности диска. Убрав палец, поднимают диск за изолирую­щую ручку. Диск оказывается заряженным положительно. Заря­женный диск можно применить для электризации других тел.

Прибор для демонстрации спектров электрического поля ПДС(рис.4)состоит из прозрачной ванночки, укрепленной в корпусе. На корпусе смонтированы два универсальных зажима, соединенные с контактными пластинами. Прилагаемые к прибору электроды устанавливают так, что они одним концом опираются на контактные пластины. Другой конец электрода с фигурным про­водником опускают в ванну.

Рис.4

Прибор для демонстрации электрического поля устанавливают на горизонтально расположенную оправу линзы конденсора проекционного аппарата ФОС-67. В ванночку тонким слоем наливают касторовое или вазелиновое масло и насыпают частички манной крупы или мелко нарезанной щетины. Затем устанавливают электроды исследуемой формы и получают четкое изображение на экране. Зажимы прибора проводниками соединяют с борнами преобразователя «Разряд-1». При сообщении заряда электродам на экране наблюдается спектр электрического поля. Опыт повторяют, меняя электроды.

Преобразователь высоковольт­ный «Разряд-1» (рис.5) пред­назначен для демонстрации опы­тов по электростатике и электро­динамике.

Преобразователь имеет два выхода на напряжение по­стоянного тока 25 и 5 кВ при входном напряжении постоянного тока 12 В. При изменении входного напряжения от 0 до 12 В на­пряжение на выходе «5 кВ» изменяется в пределах 0—5 кВ с точностью ±10% от максимального значения при активной на­грузке 4 МОм.

При изменении входного напряжения от 0 до 12 В напряжение на выходе «25 кВ» изменяется в пределах 0—30 кВ с точностью ±10% от максимального значения при токе нагрузки, равном нулю. При изменении входного напряжения от 0 до 12 В напряжение на выходе «25 кВ» изменяется в пределах 0—25 кВ при активной нагрузке 220 МОм.

Рис.5

Максимальная потребляемая мощность преобразователя 20 Вт. Порог срабатывания защиты преобразователя от перенапряжения 13—17 В. Преобразователь сохраняет работоспособность после воздействия входного напряжения до 30 В в любой полярности. На лицевой панели преобразователя расположены клавишный пе­реключатель включения и отключения напряжения питания, дис­ковый и клавишный переключатели пределов 5 и 25 кВ, клеммы выхода 25 кВ, в которые вставляют съемные борны. Один из борнов, имеющий горизонтальную ось, подвижный. При помощи ручки можно изменять расстояние между шарами борнов до момента по­явления разряда. Шары борнов съемные. При снятии шаров поверхность стекания разряда становится конусной, что позволяет получить разрядный промежуток в 2—3 раза больше по сравне­нию с шаровыми поверхностями. Для получения требуемого вы­ходного напряжения необходимо клавишный и дисковый переклю­чатели установить в положение, соответствующее избранному вы­ходу. Для перевода дискового переключателя в новое положение его предварительно нужно вынуть из гнезда. На боковых поверх­ностях расположены клеммы для подключения низковольтного ис­точника и выхода «5 кВ».

Перед началом работы переключатель питания нужно устано­вить в положение «Откл». Для получения напряжения 5 кВ не­обходимо переключатели пределов поставить в положение «5 кВ», для получения напряжения 25 кВ — в положение «25 кВ». Под­ключить к преобразователю источник питания согласно указан­ной полярности. Переключатель питания установить в положение «Вкл». При срыве генерации, который определяется прекраще­нием характерного писка, необходимо нажать кнопку «Пуск». После окончания работы с преобразователем необходимо переклю­чатель питания установить в положение «Откл» и отсоединить ис­точник питания. Для питания преобразователя «Разряд-1» можно применить батарею аккумуляторов напряжением 12 В, выпрями­тели ВС-24М, ВС-4-12.

При работе с преобразователем необходимо соблюдать следую­щие условия техники безопасности: запрещается касаться высоковольтных элементов схемы; место работы с преобразователем следует содержать в чисто­те, там не должны находиться посторонние предметы, которые могут привести к случайным соприкосновениям с элементами, имеющими высокий потенциал.

Машина электрофорная(рис.6, рис.7)служит для получения больших зарядов и высоких разностей потенциалов. На рис. 6 и 7 показаны со­ответственно ее внешний вид и схе­ма, поясняющая принцип действия машины.

Рис.6 Рис.7

Основными частями машины являются два диэлектрических диска 1 (см. рис. 6) с нанесенными на их поверхность станиоле­выми наклейками, два конденсатора 2 в виде лейденских банок, две пары щеток 5, соединенных между собой попарно проводящими стержнями, и два токосъемника 6, которые имеют электрический контакт с конденсаторами и разрядниками 4. Внешние обкладки конденсаторов соединены перемычкой 3. Кроме того, имеется ме­ханизм, с помощью которого диски можно привести во вращение в противоположных направлениях. Все детали на стойках закрепле­ны на подставке.

Токосъемник представляет собой металлическую дугу, охваты­вающую оба диска. На поверхности дуги, обращенной к дискам, закреплены пучки тонких проволочек, концы которых располага­ются вблизи поверхности дисков, не касаясь их. Действие то­косъемника основано на эффекте стекания заряда с острия.

Машина работает следующим образом. Предположим, что на наклейке а (см. рис.7) оказался неболь­шой отрицательный заряд. Этот заряд, действуя индуктивно на стер­жень rs, заряжает наклейку a' положительно. Когда наклейка а', вра­щаясь, как показывает стрелка, достигает положения b', эта наклей­ка, воздействуя индуктивно через щетку на стержень r's', зарядит от­рицательно наклейку b. Отсюда ясно, что все наклейки на верхней части внутреннего круга (т. е. верхней части переднего диска), прохо­дя мимо щетки r, получат положительные заряды, а все наклейки вер­хней части внешнего круга (заднего диска), проходя мимо щетки s', получат отрицательные заряды. Подобным образом на нижней по­ловине дисков все наклейки внутреннего круга (ближнего диска), проходя мимо щетки s, получают отрицательные заряды, а наклейки внешнего, проходя щетку s', получают положительные заряды. Ког­да положительные заряды на наклейках ближнего и дальнего диска оказываются напротив токосъемника c, они переходят на пластину конденсатора L и соединенный с ней разрядник, заряжая их положи­тельно. Такой же процесс идет на противоположной стороне, где снимаются отрицательные заряды.

Когда проскакивает искра, конденсаторы и соединенная с ними система проводников разряжаются, и процесс начинается сначала. Чтобы машина работала нормально, необходимо следить за по­ложением стержней со щетками. Угол между горизон

талью и стержнем должен быть близок к 45°. (Угол наклона стержня отме­ряют от горизонтали по направлению вращения диска, по которо­му скользят его щетки.) Оба стержня при этом будут скрещиваться под углом в 90°.

Если по какой-то причине на разрядниках приведенной в дей­ствие машины заряды не появляются, то бывает достаточно подне­сти наэлектризованную палочку к верхней части вращающихся дис­ков и машина заработает в обычном режиме.

Следует помнить, что прикосновение к разрядникам работаю­щей машины оказывает неприятное психофизиологическое воздей­ствие на организм. Поэтому, если по ходу опыта нужно изменить положение разрядников, прикасаться можно только к их изолиру­ющим ручкам, а сразу после де­монстрации снять с них оставший­ся заряд, замкнув накоротко.

Сетка металлическая с бумажными листочкам(рис.8) служит для демонстрации опытов по распределению электрического заряда на поверхности проводника в зависимости от поверхности. Состоит из гибкой металлической сетки на стойках. На сетку прикреплены с обеих сторон легкие бумажные листочки.

Рис.8

Маятники электростатические(рис.9) служат для обнаружения электрического заряда на теле и демонстрации взаимодействия электрических зарядов. Выполнены в виде станиолевых гильз высотой 45 мм. Гильза соединена нитью длиной 30 см с резиновой пробкой, которая закрепляется на изогнутом в виде консоли металлическом стержне. Стержень закрепляется в изолирующем штативе. В комплект входят два одинаковых маятника и стеклянная трубка, куда маятники укладываются для хранения.

Рис.9

Варианты экспериментальных установок

Опыт 1. Электризация тел

Вариант 1.Оборудование: (рис.) стеклянная палочка и кусок шелковой ткани (или бумаги), эбонитовая палочка и кусок шерстяной ткани, электрометр.

Натирают палочки кусочками ткани и обнаруживают разного рода заряды палочек и кусочков ткани с помощью электрометра.

Рис.10

Вариант 2.Оборудование:шар-кондуктор, электрометр, эбонитовая (стеклянная) палочки и кусочки ткани.

Электризация одного шара через влияние. На стержень электрометра на­девают шар-кондуктор. Наэлектризованную эбонитовую (стек­лянную) палочку подносят к шару, не касаясь его. Пальцем ка­саются поверхности шара-кондуктора со стороны, противополож­ной той, к которой поднесена заряженная палочка. Убирают сна­чала палец, а затем палочку. Наблюдают явление. Определяют род заряда, которым заряжен электрометр.

Рис.11

Вариант 3.Оборудование: (рис.) два шара-кондуктора, два электрометра, стеклянная (эбонитовая) палочка, кусочки ткани.

Электризация двух одновременно шаров через влияние. Установку собирают по рисунку. К шару-кондуктору пра­вого (или левого) электрометра подносят заряженную эбонито­вую (стеклянную) палочку. Убирают проводник на изолирующей ручке и затем - заряженную палочку. Обнаруживают появление заряда на электрометрах. Определяют род заряда на каждом электрометре.

Вновь касаются проводни­ком с изолирующей ручкой одновременно двух шаров электромет­ров и обнаруживают изменения.

Рис.12

Вариант 4. Оборудование: (рис.13) один металлический диск и пластина из диэлектрика (оргстекло) из комплекта конденсатора разборного.

Описание опыта (рис.13) найди в описании прибора «конденсатор разборный».

Рис.13

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: