Номер 1, страница 240 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

1. Опишите опыты Кулона по исследованию взаимодействия электрических зарядов.

1. Опишите опыты Кулона по исследованию взаимодействия электрических зарядов.

Шарль Кулон в 1785 году провел серию экспериментов для количественного изучения силы взаимодействия между электрическими зарядами. Для этого он использовал созданный им прибор — крутильные весы, отличавшиеся очень высокой чувствительностью.

Конструкция крутильных весов состояла из легкого непроводящего коромысла, подвешенного на тонкой упругой нити (например, посеребренной или кварцевой) в стеклянном цилиндре, который защищал установку от потоков воздуха. На одном конце коромысла был закреплен маленький металлический шарик (A), а на другом — противовес. Через отверстие в крышке цилиндра можно было вносить второй такой же металлический шарик (B), закрепленный на изолирующем стержне.

Суть опыта заключалась в следующем:

1. Зарядка шариков. Обоим шарикам (A и B) сообщался электрический заряд. Например, шарику B сообщали заряд от наэлектризованного тела, а затем приводили его в соприкосновение с неподвижным шариком A. Заряд распределялся между ними, и так как шарики были одинаковыми, их заряды становились равными.

2. Измерение силы. Шарик B вносился в прибор на определенное расстояние от шарика A. Сила электростатического отталкивания (или притяжения) заставляла коромысло поворачиваться, закручивая нить подвеса.

3. Определение зависимости. Упругая нить сопротивлялась закручиванию, и возникающий в ней момент упругости был пропорционален углу закручивания. Коромысло останавливалось, когда момент силы электростатического взаимодействия уравновешивался моментом упругости нити. Измерив угол закручивания по специальной шкале, Кулон мог судить о величине силы взаимодействия. Сила взаимодействия $\text{F}$ оказывалась прямо пропорциональной углу закручивания $\alpha$: $F \sim \alpha$.

Проводя измерения, Кулон установил две основные закономерности:

- Зависимость силы от расстояния. Измеряя угол закручивания нити при различных расстояниях $\text{r}$ между центрами шариков, он обнаружил, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами: $F \sim 1/r^2$.

- Зависимость силы от величины зарядов. Чтобы изменять заряд известным образом, Кулон использовал метод деления. Коснувшись заряженным шариком такого же незаряженного, он уменьшал его заряд вдвое. Повторяя эту процедуру, он получал заряды в $1/4$, $1/8$ от первоначального. Проведя серию измерений с разными зарядами, он установил, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению величин взаимодействующих зарядов: $F \sim q_1 \cdot q_2$.

Объединив эти результаты, Кулон сформулировал закон, который носит его имя.

Ответ: Для исследования взаимодействия электрических зарядов Ш. Кулон использовал крутильные весы. Это прибор, в котором сила взаимодействия заряженных шариков уравновешивается силой упругости закрученной нити. Измеряя угол закручивания нити, Кулон определял силу. Он систематически менял расстояние между зарядами и величину самих зарядов (используя метод деления заряда при соприкосновении одинаковых проводников). В результате экспериментов он установил, что сила взаимодействия двух точечных зарядов прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

2. Чем отличается закон Кулона от закона всемирного тяготения?

Закон Кулона и закон всемирного тяготения имеют схожую математическую форму, так как оба являются законами обратных квадратов.

Закон Кулона: $F_k = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$

Закон всемирного тяготения: $F_g = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$

Однако между ними существуют фундаментальные различия:

1. Природа взаимодействия. Гравитационное взаимодействие всегда является притяжением. Электростатическое же взаимодействие может быть как притяжением (между разноименными зарядами), так и отталкиванием (между одноименными зарядами).

2. Источник силы. Источником гравитационного поля является масса тела, а источником электростатического поля — электрический заряд.

3. Интенсивность взаимодействия. Электростатическое взаимодействие значительно (на много порядков) интенсивнее гравитационного. Коэффициент пропорциональности в законе Кулона (электрическая постоянная) $k \approx 9 \cdot 10^9 \, \text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{Кл}^2$, в то время как гравитационная постоянная $G \approx 6.67 \cdot 10^{-11} \, \text{Н}\cdot\text{м}^2/\text{кг}^2$. Например, сила электрического отталкивания двух протонов примерно в $10^{36}$ раз больше силы их гравитационного притяжения.

4. Влияние среды. Сила гравитационного взаимодействия не зависит от среды, в которой находятся тела. Сила же электростатического взаимодействия зависит от среды. В диэлектрической среде сила Кулона ослабевает в $\epsilon$ раз, где $\epsilon$ — диэлектрическая проницаемость среды.

5. Экранирование. От электрического поля можно экранироваться (например, с помощью проводящего экрана — клетки Фарадея), поскольку заряды в проводнике могут перераспределяться и компенсировать внешнее поле. Экранирование от гравитационного поля невозможно.

Ответ: Основные отличия закона Кулона от закона всемирного тяготения: 1) электрические силы могут быть как силами притяжения, так и отталкивания, в то время как гравитационные — только притяжения; 2) источником электрических сил является заряд, а гравитационных — масса; 3) электрические силы намного интенсивнее гравитационных; 4) электрические силы зависят от среды, а гравитационные — нет; 5) от электрического поля можно экранироваться, а от гравитационного — нельзя.