Темы докладов, страница 240 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

Электростатический маятник.

Электростатический маятник.

Электростатический маятник — это простой прибор, используемый для наглядной демонстрации основных явлений и законов электростатики. Он позволяет наблюдать наличие электрических зарядов, их взаимодействие (притяжение и отталкивание), явление электростатической индукции и передачу заряда при контакте.

Устройство

Конструкция электростатического маятника очень проста. Он состоит из легкого шарика, подвешенного на тонкой, непроводящей электрический ток (диэлектрической) нити, такой как шелк или капрон. Шарик изготавливают из материала с малой плотностью, например, из сердцевины бузины, пенопласта или в виде полой гильзы из алюминиевой фольги. Для того чтобы шарик мог легко принимать и отдавать заряд, его поверхность делают проводящей, например, покрывая графитовым порошком или металлической краской.

Принцип действия и демонстрируемые явления

С помощью электростатического маятника можно продемонстрировать несколько ключевых физических явлений:

1. Притяжение незаряженного тела к заряженному (электростатическая индукция).
Если к незаряженному шарику маятника поднести заряженное тело (например, эбонитовую палочку, потертую о мех и получившую отрицательный заряд), то шарик притянется к палочке. Это объясняется явлением электростатической индукции: в проводящем шарике под действием электрического поля палочки свободные электроны перемещаются. На стороне шарика, обращенной к отрицательно заряженной палочке, возникает избыток положительного заряда, а на противоположной стороне — избыток отрицательного. Так как сила притяжения между палочкой и ближайшей к ней положительно заряженной частью шарика больше, чем сила отталкивания от более удаленной отрицательно заряженной части, результирующая сила направлена в сторону палочки.

2. Передача заряда при контакте.
При соприкосновении заряженного тела с шариком маятника происходит передача заряда. Если отрицательно заряженная палочка коснется шарика, часть ее избыточных электронов перейдет на шарик, в результате чего он сам станет отрицательно заряженным.

3. Отталкивание одноименных зарядов.
После того как шарик получил от палочки отрицательный заряд (или от другого тела — положительный), он немедленно оттолкнется от нее. Это демонстрирует фундаментальный принцип электростатики: одноименные заряды отталкиваются. Сила этого взаимодействия описывается законом Кулона:
$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$
где $\text{F}$ – сила взаимодействия, $q_1$ и $q_2$ – величины зарядов, $\text{r}$ – расстояние между ними, а $\text{k}$ – коэффициент пропорциональности.

4. Колебания маятника между заряженными пластинами.
Самой наглядной демонстрацией является работа маятника в электрическом поле, созданном между двумя параллельными металлическими пластинами, подключенными к полюсам источника высокого напряжения (например, электрофорной машины). Одна пластина заряжена положительно, другая — отрицательно.
- Изначально нейтральный шарик притягивается к одной из пластин (например, к положительной) за счет индукции.
- Коснувшись ее, он заряжается положительно.
- Сразу после этого он отталкивается от положительной пластины и устремляется к отрицательной.
- Коснувшись отрицательной пластины, шарик отдает свой положительный заряд, приобретает отрицательный и отталкивается от нее обратно к положительной пластине.
Этот цикл повторяется автоматически, и шарик начинает совершать быстрые колебания между пластинами, фактически выполняя работу по переносу электрического заряда.

Ответ: Электростатический маятник представляет собой легкий проводящий шарик, подвешенный на изолирующей нити. Этот прибор наглядно демонстрирует основные принципы электростатики: притяжение незаряженных тел к заряженным через электростатическую индукцию, передачу заряда при контакте и последующее отталкивание одноименно заряженных тел. Помещенный между двумя разноименно заряженными пластинами, маятник совершает колебания, перенося заряд от одной пластины к другой, что является яркой иллюстрацией действия электрических сил.