Номер 3, страница 306 - гдз по физике 10 класс учебник часть 1 Генденштейн, Дик

Электростатика. Глава 7. Электрические взаимодействия. Параграф 37. Взаимодействие электрических зарядов - номер 3, страница 306.

Условие.

3. Расскажите о законе Кулона.

Решение.

3. Расскажите о законе Кулона.

Закон Кулона – это фундаментальный закон электростатики, описывающий силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами. Он был экспериментально установлен французским физиком Шарлем Огюстеном де Кулоном в 1785 году.

Формулировка закона:
Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Математическое выражение:
В Международной системе единиц (СИ) закон Кулона записывается в виде формулы:
$F = k \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2}$
где:
$\text{F}$ – модуль силы взаимодействия (кулоновской силы), измеряется в ньютонах (Н);
$q_1$ и $q_2$ – величины точечных зарядов, измеряются в кулонах (Кл);
$\text{r}$ – расстояние между зарядами, измеряется в метрах (м);
$\text{k}$ – коэффициент пропорциональности, называемый постоянной Кулона. В вакууме его значение составляет приблизительно $k \approx 9 \cdot 10^9 \frac{\text{Н} \cdot \text{м}^2}{\text{Кл}^2}$.

Коэффициент $\text{k}$ связан с другой фундаментальной константой – электрической постоянной $\epsilon_0$ (диэлектрической проницаемостью вакуума):
$k = \frac{1}{4\pi\epsilon_0}$
где $\epsilon_0 \approx 8.85 \cdot 10^{-12} \frac{\text{Ф}}{\text{м}}$ (фарад на метр).

Направление силы:
Сила Кулона является векторной величиной и направлена вдоль прямой, соединяющей заряды.
- Если заряды одноимённые (оба положительные или оба отрицательные), силы взаимодействия направлены в противоположные стороны – заряды отталкиваются.
- Если заряды разноимённые (один положительный, а другой отрицательный), силы направлены навстречу друг другу – заряды притягиваются.

Закон Кулона в диэлектрической среде:
Если заряды находятся не в вакууме, а в однородной диэлектрической среде, сила взаимодействия между ними ослабевает. В этом случае формула модифицируется:
$F = \frac{1}{4\pi\epsilon_0\epsilon} \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2} = \frac{k}{\epsilon} \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2}$
Здесь $\epsilon$ – диэлектрическая проницаемость среды, безразмерная величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия в данной среде меньше, чем в вакууме. Для вакуума $\epsilon = 1$, для всех остальных сред $\epsilon > 1$.

Границы применимости закона:
Закон Кулона в приведённой форме строго выполняется для:
- Точечных зарядов, то есть заряженных тел, размерами которых можно пренебречь по сравнению с расстоянием между ними.
- Неподвижных зарядов (в рамках электростатики). Для движущихся зарядов необходимо учитывать также магнитное взаимодействие.
Закон также применим для расчёта силы взаимодействия между равномерно заряженными сферами или шарами. В этом случае $\text{r}$ – это расстояние между их центрами.

Ответ: Закон Кулона гласит, что сила электростатического взаимодействия между двумя неподвижными точечными зарядами прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ($F = k \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2}$). Сила является силой отталкивания для одноимённых зарядов и силой притяжения для разноимённых. В диэлектрической среде сила взаимодействия уменьшается.