Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Pobierz materiał do PDF Pobierz materiał do EPUB Pobierz materiał do MOBI Zaloguj się, aby dodać do ulubionych Zaloguj się, aby skopiować i edytować materiał Zaloguj się, aby udostępnić materiał Zaloguj się, aby dodać całą stronę do teczki

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 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.

Doświadczenie 1

Badanie, od czego zależy pojemność kondensatora płaskiego

Problem badawczy

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?

Hipoteza

Postaw swoją hipotezę badawczą wskazując odpowiedzi w trzech poniższych ćwiczeniach.

R1KcdbOhKiJ4n
Ćwiczenie 1
Zależność pojemności kondensatora płaskiego od odległości między jego okładkami jest: Możliwe odpowiedzi: 1. proporcjonalna, 2. odwrotnie proporcjonalna, 3. obie wielkości nie zależą od siebie
RJXExVPVpiayK
Ćwiczenie 2
Zależność pojemności kondensatora płaskiego od pola powierzchni jego okładek jest następująca: Możliwe odpowiedzi: 1. proporcjonalna, 2. odwrotnie proporcjonalna, 3. obie wielkości nie zależą od siebie
RVIf3kw0xEQch
Ćwiczenie 3
Wsuniecie dielektryka pomiędzy okładki kondensatora płaskiego powoduje: Możliwe odpowiedzi: 1. zwiększenie jego pojemności, 2. zmniejszenie jego pojemności, 3. nie wpływa na jego pojemność
Co będzie potrzebne

Zapoznaj się z obsługą wirtualnego laboratorium, a następnie wykonaj ćwiczenia dotyczące doboru wyposażenia do przeprowadzenia planowanego doświadczenia.

RBvyiSWtuF7lX
Ćwiczenie 4
Najdokładniejszym sposobem na zbadanie zależności pojemności kondensatora płaskiego od odległości między jego okładkami jest: Możliwe odpowiedzi: 1. a) oddalanie lub przybliżanie jednej z okładek, jak w naszym doświadczeniu, 2. b) zbudowanie wielu kondensatorów różniących się od siebie tylko odległością okładek, 3. c) obie powyższe metody dadzą równie dokładne wyniki
RqMa1fiPg9yhw
Ćwiczenie 5
Najdokładniejszym sposobem na zbadanie zależności pojemności kondensatora płaskiego od powierzchni jego okładek jest: Możliwe odpowiedzi: 1. a) przesuwanie równoległe płytek względem siebie tak, jak w naszym doświadczeniu, 2. b) zbudowanie wielu kondensatorów różniących się od siebie tylko polem powierzchni płytek, 3. c) obie powyższe metody dadzą równie dokładne wyniki
Instrukcja
  1. Zapoznaj się szczegółowo z obsługą wirtualnego laboratorium i sposobem przeprowadzania doświadczenia.

  2. Wykonaj eksperyment, w którym będziesz zmieniać odległość między okładkami kondensatora i obserwować napięcie między nimi. Wyniki zanotuj w tabeli.

  3. Wypełnij ostatnią kolumnę tabeli pomiarów obliczając wartość odwrotności napięcia. Może okazać się przydatna podczas podsumowania eksperymentu.

  4. Wykonaj eksperyment, w którym będziesz zmieniać powierzchnię okładek kondensatora (przesuwając jedną względem drugiej) i obserwować napięcie między nimi. Wyniki zanotuj w tabeli.

  5. Wypełnij ostatnią kolumnę tabeli pomiarów obliczając wartość odwrotności napięcia. Może okazać się przydatna podczas podsumowania eksperymentu.

  6. 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”.

R1MfdQZjh56XZ
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
R2MwCQuulCvbP
d [mm]. U [V]. 1 U [ 1 V ]. (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij).
RUOMsUBbYqjyZ
x [cm]. U [V]. 1 U [ 1 V ]. (Uzupełnij). (Uzupełnij). (Uzupełnij).
R1JnWVZmInjtu
Ćwiczenie 6
Wynik obserwacji doświadczalnej.
Po włożeniu płyty szklanej miedzy okładki kondensatora napięcie między jego okładkami: Możliwe odpowiedzi: 1. zmniejszyło się, 2. zwiększyło się
Podsumowanie
  1. Aby odpowiedzieć na dwa pierwsze pytania badawcze, wykonaj wykresy oraz . Pamiętaj przy tym, że na wykresach, oprócz punktów pomiarowych, należy umieścić odcinki niepewności.

  2. 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.

  3. 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”.

1
Polecenie 1

Podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od pola powierzchni jego płytek i odległości między nimi.

uzupełnij treść
  1. 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?

1
Polecenie 2

Podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od obecności dielektryka między jego okładkami.

uzupełnij treść
Doświadczenie 1

Badanie, od czego zależy pojemność kondensatora płaskiego

Problem badawczy

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?

Hipoteza

Postaw swoją hipotezę badawczą wskazując odpowiedzi w trzech poniższych ćwiczeniach.

R1KcdbOhKiJ4n
Ćwiczenie 1
Zależność pojemności kondensatora płaskiego od odległości między jego okładkami jest: Możliwe odpowiedzi: 1. proporcjonalna, 2. odwrotnie proporcjonalna, 3. obie wielkości nie zależą od siebie
RJXExVPVpiayK
Ćwiczenie 2
Zależność pojemności kondensatora płaskiego od pola powierzchni jego okładek jest następująca: Możliwe odpowiedzi: 1. proporcjonalna, 2. odwrotnie proporcjonalna, 3. obie wielkości nie zależą od siebie
RVIf3kw0xEQch
Ćwiczenie 3
Wsuniecie dielektryka pomiędzy okładki kondensatora płaskiego powoduje: Możliwe odpowiedzi: 1. zwiększenie jego pojemności, 2. zmniejszenie jego pojemności, 3. nie wpływa na jego pojemność
Co będzie potrzebne

Zapoznaj się z opisem wirtualnego laboratorium, a następnie wykonaj ćwiczenia dotyczące doboru wyposażenia do przeprowadzenia planowanego doświadczenia.

RBvyiSWtuF7lX
Ćwiczenie 4
Najdokładniejszym sposobem na zbadanie zależności pojemności kondensatora płaskiego od odległości między jego okładkami jest: Możliwe odpowiedzi: 1. a) oddalanie lub przybliżanie jednej z okładek, jak w naszym doświadczeniu, 2. b) zbudowanie wielu kondensatorów różniących się od siebie tylko odległością okładek, 3. c) obie powyższe metody dadzą równie dokładne wyniki
RqMa1fiPg9yhw
Ćwiczenie 5
Najdokładniejszym sposobem na zbadanie zależności pojemności kondensatora płaskiego od powierzchni jego okładek jest: Możliwe odpowiedzi: 1. a) przesuwanie równoległe płytek względem siebie tak, jak w naszym doświadczeniu, 2. b) zbudowanie wielu kondensatorów różniących się od siebie tylko polem powierzchni płytek, 3. c) obie powyższe metody dadzą równie dokładne wyniki
Instrukcja

Zapoznaj się z wynikami eksperymentów.

RHvZdjG8MUvnJ
Ćwiczenie 6
W wirtualnym laboratorium wykonano doświadczenie, w którym zmieniano odległość między okładkami naładowanego kondensatora i notowano napięcie elektryczne na nim. Wyniki przedstawiono w tabeli. Jeśli uznasz to za przydatne do podsumowania eksperymentu, uzupełnij ostatnią kolumnę tabeli, obliczając wartość odwrotności napięcia.
RmZlyZy2Ep2vq
Ćwiczenie 7
W wirtualnym laboratorium wykonano doświadczenie, w którym przesuwano jedną płytę naładowanego kondensatora względem drugiej na odległość x, powodując tym samym proporcjonalną zmianę powierzchni okładek kondensatora. Wyniki przedstawiono w tabeli. Jeśli uznasz to za przydatne do podsumowania eksperymentu, uzupełnij ostatnią kolumnę tabeli, obliczając wartość odwrotności napięcia.

W wirtualnym laboratorium wykonano trzecie doświadczenie, w którym wsunięto szklaną płytę pomiędzy okładki naładowanego kondensatora. Zauważono, że napięcie na kondensatorze zmalało ponad czterokrotnie.

Podsumowanie
  1. Aby odpowiedzieć na dwa pierwsze pytania badawcze, przeanalizuj zależność oraz .

  2. 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.

  3. 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”.

1
Polecenie 1

Do formularza wpisz podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od pola powierzchni jego płytek i odległości między nimi.

uzupełnij treść
  1. 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?

1
Polecenie 2

Do formularza wpisz podsumowanie doświadczenia w zakresie problemu zależności pojemności kondensatora płaskiego od obecności dielektryka między jego okładkami.

uzupełnij treść
Doświadczenie 2

Wyznaczenie względnej przenikalności elektrycznej szkła

Problem badawczy

Jak wyznaczyć względną przenikalność elektryczną szkła?

Hipoteza

Należy naładować kondensator, zmierzyć napięcie miedzy jego okładkami, a następnie wsunąć miedzy okładki szklaną szybę i ponownie zmierzyć napięcie.

Co będzie potrzebne
Ćwiczenie 7
R1dYQfkob8bMu
Które elementy wyposażenia i konstrukcyjne użyte w poprzednim doświadczeniu nie będą potrzebne w obecnym eksperymencie? Możliwe odpowiedzi: 1. mechanizm przesuwania okładek względem siebie, 2. mechanizm rozsuwania okładek, 3. zasilacz, 4. woltomierz, 5. przewody połączeniowe
Instrukcja

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.

R1MfdQZjh56XZ
Źródło: Politechnika Warszawska, Wydział Fizyki, licencja: CC BY 4.0.
R2R5yrbovzE4f
U 0 [V]. U 1 [V]. (Uzupełnij). (Uzupełnij).
Podsumowanie
1
Polecenie 3

Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia. Zawrzyj w nim co najmniej poniższe elementy.

  1. Podaj wynik końcowy – wyznaczoną wartość względnej przenikalności elektrycznej szkła wraz z niepewnością pomiarową.

  2. Porównaj ten wynik z wartością tablicową.

  3. Sformułuj rozstrzygnięcie hipotezy badawczej.

uzupełnij treść
Doświadczenie 2

Wyznaczenie względnej przenikalności elektrycznej szkła

Problem badawczy

Jak wyznaczyć względną przenikalność elektryczną szkła?

Hipoteza

Należy naładować kondensator, zmierzyć napięcie miedzy jego okładkami, a następnie wsunąć miedzy okładki szklaną szybę i ponownie zmierzyć napięcie.

Co będzie potrzebne
Ćwiczenie 7
R1dYQfkob8bMu
Które elementy wyposażenia i konstrukcyjne użyte w poprzednim doświadczeniu nie będą potrzebne w obecnym eksperymencie? Możliwe odpowiedzi: 1. mechanizm przesuwania okładek względem siebie, 2. mechanizm rozsuwania okładek, 3. zasilacz, 4. woltomierz, 5. przewody połączeniowe
Instrukcja

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 U 0 przed włożeniem dielektryka [V]

2000

Napięcie U 1 po włożeniu dielektryka [V]

439

Okazało się, że nie było potrzeby wielokrotnego powtarzania pomiarów, bo za każdym razem otrzymywano te same wyniki.

Podsumowanie
1
Polecenie 3

Zapisz krótki, kilkuzdaniowy raport z przeprowadzonego doświadczenia. Zawrzyj w nim co najmniej poniższe elementy.

  1. Podaj wynik końcowy – wyznaczoną wartość względnej przenikalności elektrycznej szkła wraz z niepewnością pomiarową.

  2. Porównaj ten wynik z wartością tablicową.

  3. Sformułuj rozstrzygnięcie hipotezy badawczej.

uzupełnij treść