Wirtualne laboratorium WL‑I
Wirtualne Laboratorium Fizyki
Przeprowadź dwuczęściowy eksperyment w wirtualnym laboratorium. Wykonaj ćwiczenia i polecenia związane z wyposażeniem laboratorium, przeprowadzeniem pomiarów i opracowaniem ich wyników. Wykorzystaj wiadomości zawarte w e‑materiale „Przedstawianie niepewności pomiarowych w formie graficznej”.
Opis Wirtualnego Laboratorium
Na ekranie wirtualnego laboratorium widać jasnoszary blat i jasnozieloną ścianę bezpośrednio zanim. Na blacie stoją trzy urządzenia: po lewej stronie – zasilacz wysokiego napięcia, po prawej – woltomierz, a pośrodku blatu – urządzenie do badania kondensatora. Zasilacz ma tabliczkę z napisem „DANGER. High Votlage 2000 VDC”, włącznik hebelkowy, kontrolkę informującą o włączeniu napięcia i dwa gniazda do podłączenia przewodów. Przewody połączeniowe (dwa czerwone i dwa czarne) wiszą na haczykach na ścianie za blatem i można ich użyć do połączenia wybranych elementów przyrządów laboratoryjnych. Woltomierz jest urządzeniem cyfrowym. Oprócz wyświetlacza posiada włącznik przyciskowy prostokątny i dwa gniazda do podłączenia przewodów. Trzecim urządzeniem jest kondensator płaski, złożony z dwóch dużych pionowych płyty ustawionych blisko siebie i umieszczonych na prostokątnej podstawie. Podstawa zawiera dwie prostopadłe do siebie suwakowe regulacje. Jedna z nich, o skali od 1 do 10 mm, odpowiada za odległość płyt od siebie . Druga, o skali od 0 do 10 cm, powoduje przesuniecie równoległe jednej z płyt względem drugiej na odległość , czyli w istocie pozwala na ustawienie powierzchni czynnej kondensatora płaskiego. Jeżeli płyty mają wymiary x cm, to po przesunięciu jednej z nich o , powierzchnia płytek kondensatora wynosi . Nad okładkami kondensatora znajduje się szklana płyta, nieco szersza od okładek, którą można włożyć między nie.
W celu wykonania doświadczenia należy najpierw naładować kondensator, czyli zdjętymi ze ściany przewodami połączyć pręty przymocowywane do każdej z płyt z gniazdami zasilacza i na chwilę włączyć urządzenie. Aby zmierzyć napięcie na kondensatorze, trzeba przewodami połączyć każdą z płyt z zaciskami woltomierza i włączyć miernik. Zmieniając parametry kondensatora, lub albo wsuwając szkło miedzy płyty, będziemy obserwowali zmiany napięcia między jego okładkami. Zakładamy, że po odłączeniu zasilacza, ładunek nie może odpłynąć z metalowych płyt będących okładkami kondensatora i że gęstość powierzchniowa ładunku na okładkach nie zmienia się podczas eksperymentu. Należy mieć świadomość, że w realnym eksperymencie, obydwa założenia nie muszą być (i z reguły nie są) rygorystycznie spełnione. Dzięki tym założeniom, wykonując pomiary napięcia między okładkami kondensatora można wnioskować na temat tego, od czego zależy jego pojemność.
Badanie, od czego zależy pojemność kondensatora płaskiego
Jaki jest charakter zależności pojemności kondensatora płaskiego od odległości miedzy jego okładkami i pola ich powierzchni oraz jak wpływa na pojemność umieszczenie dielektryka między okładkami?
Postaw swoją hipotezę badawczą wskazując odpowiedzi w trzech poniższych ćwiczeniach.
Zapoznaj się z obsługą wirtualnego laboratorium, a następnie wykonaj ćwiczenia dotyczące doboru wyposażenia do przeprowadzenia planowanego doświadczenia.
Zapoznaj się szczegółowo z obsługą wirtualnego laboratorium i sposobem przeprowadzania doświadczenia.
Wykonaj eksperyment, w którym będziesz zmieniać odległość między okładkami kondensatora i obserwować napięcie między nimi. Wyniki zanotuj w tabeli.
Wypełnij ostatnią kolumnę tabeli pomiarów obliczając wartość odwrotności napięcia. Może okazać się przydatna podczas podsumowania eksperymentu.
Wykonaj eksperyment, w którym będziesz zmieniać powierzchnię okładek kondensatora (przesuwając jedną względem drugiej) i obserwować napięcie między nimi. Wyniki zanotuj w tabeli.
Wypełnij ostatnią kolumnę tabeli pomiarów obliczając wartość odwrotności napięcia. Może okazać się przydatna podczas podsumowania eksperymentu.
Wykonaj eksperyment, w którym włożysz szybę między okładki kondensatora. Twoim zadaniem jest jedynie obserwacja jakościowa, czy napięcie między okładkami kondensatora zwiększyło się, czy zmniejszyło. Zaznacz odpowiednią opcję w trzeciej tabeli, zatytułowanej „Wynik obserwacji doświadczalnej – nr 3”.
Aby odpowiedzieć na dwa pierwsze pytania badawcze, wykonaj wykresy oraz . Pamiętaj przy tym, że na wykresach, oprócz punktów pomiarowych, należy umieścić odcinki niepewności.
Jeśli badana zależność nie jest liniowa, wykonaj wykres zależności odwrotności napięcia () od zmienianej wartości ( lub ). Otrzymanie wykresu liniowego oznacza, że badane wielkości wyjściowe są odwrotnie proporcjonalne.
Podsumuj wyniki doświadczenia w zakresie odpowiedzi na dwa pierwsze pytania badawcze. Wykorzystaj zależność pomiędzy interesującą nas pojemnością kondensatora, a mierzonym w eksperymencie napięciem na jego okładkach, opisaną wzorem (1) w części „Przeczytaj”.
Podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od pola powierzchni jego płytek i odległości między nimi.
Podsumuj wynik doświadczenia w zakresie zależności pojemności kondensatora od obecności dielektryka między jego okładkami. Czy wynik ten ma zastosowanie do wszystkich kondensatorów, czy tylko do badanego kondensatora płaskiego?
Podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od obecności dielektryka między jego okładkami.
Badanie, od czego zależy pojemność kondensatora płaskiego
Jaki jest charakter zależności pojemności kondensatora płaskiego od odległości miedzy jego okładkami i pola ich powierzchni oraz jak wpływa na pojemność umieszczenie dielektryka między okładkami?
Postaw swoją hipotezę badawczą wskazując odpowiedzi w trzech poniższych ćwiczeniach.
Zapoznaj się z opisem wirtualnego laboratorium, a następnie wykonaj ćwiczenia dotyczące doboru wyposażenia do przeprowadzenia planowanego doświadczenia.
Zapoznaj się z wynikami eksperymentów.
W wirtualnym laboratorium wykonano trzecie doświadczenie, w którym wsunięto szklaną płytę pomiędzy okładki naładowanego kondensatora. Zauważono, że napięcie na kondensatorze zmalało ponad czterokrotnie.
Aby odpowiedzieć na dwa pierwsze pytania badawcze, przeanalizuj zależność oraz .
Jeśli badany związek nie jest liniowy, przeanalizuj zależności odwrotności napięcia () od zmienianej wartości ( lub ). Liniowa zależność tego rodzaju oznacza, że badane wielkości wyjściowe są odwrotnie proporcjonalne.
Podsumuj wyniki doświadczenia w zakresie odpowiedzi na dwa pierwsze pytania badawcze. Wykorzystaj zależność pomiędzy interesującą nas pojemnością kondensatora, a mierzonym w eksperymencie napięciem na jego okładkach, opisaną wzorem (1) w części „Przeczytaj”.
Do formularza wpisz podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od pola powierzchni jego płytek i odległości między nimi.
Podsumuj wynik doświadczenia w zakresie zależności pojemności kondensatora od obecności dielektryka między jego okładkami. Czy wynik ten ma zastosowanie do wszystkich kondensatorów, czy tylko do badanego kondensatora płaskiego?
Do formularza wpisz podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od obecności dielektryka między jego okładkami.
Wyznaczenie względnej przenikalności elektrycznej szkła
Jak wyznaczyć względną przenikalność elektryczną szkła?
Należy naładować kondensator, zmierzyć napięcie miedzy jego okładkami, a następnie wsunąć miedzy okładki szklaną szybę i ponownie zmierzyć napięcie.
Wykonaj doświadczenie, dwukrotnie mierząc napięcie na okładkach kondensatora: przed włożeniem między nie szyby i po włożeniu jej do końca. Wyniki zapisz w tabeli.
Sprawdź, czy wielokrotne powtarzanie tych pomiarów w celu zminimalizowania błędów przypadkowych jest uzasadnione.
Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia. Zawrzyj w nim co najmniej poniższe elementy.
Podaj wynik końcowy – wyznaczoną wartość względnej przenikalności elektrycznej szkła wraz z niepewnością pomiarową.
Porównaj ten wynik z wartością tablicową.
Sformułuj rozstrzygnięcie hipotezy badawczej.
Wyznaczenie względnej przenikalności elektrycznej szkła
Jak wyznaczyć względną przenikalność elektryczną szkła?
Należy naładować kondensator, zmierzyć napięcie miedzy jego okładkami, a następnie wsunąć miedzy okładki szklaną szybę i ponownie zmierzyć napięcie.
W wirtualnym laboratorium wykonano doświadczenie polegające na zmierzeniu napięcia na naładowanym kondensatorze przed i po wsunięciu między jego okładki płyty szklanej. Wyniki przedstawia następująca tabela.
Napięcie przed włożeniem dielektryka [V] | 2000 |
---|---|
Napięcie po włożeniu dielektryka [V] | 439 |
Okazało się, że nie było potrzeby wielokrotnego powtarzania pomiarów, bo za każdym razem otrzymywano te same wyniki.
Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia. Zawrzyj w nim co najmniej poniższe elementy.
Podaj wynik końcowy – wyznaczoną wartość względnej przenikalności elektrycznej szkła wraz z niepewnością pomiarową.
Porównaj ten wynik z wartością tablicową.
Sformułuj rozstrzygnięcie hipotezy badawczej.