Номер 3, страница 244 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

3. В чём заключается принцип суперпозиции полей?

Как объясняет взаимодействие электрических зарядов теория поля?

Теория поля (или теория близкодействия) объясняет взаимодействие электрических зарядов не как прямое и мгновенное действие одного заряда на другой на расстоянии, а как процесс, опосредованный электрическим полем. Согласно этой теории:

1. Каждый электрический заряд создаёт в окружающем его пространстве особое состояние материи — электрическое поле.

2. Это поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме ($c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с).

3. Когда в это поле помещается другой электрический заряд, поле действует на него с определённой силой (силой Кулона).

Таким образом, взаимодействие передаётся последовательно: заряд-источник → электрическое поле → другой заряд. Эта концепция решает проблему мгновенной передачи действия на расстоянии, постулируя, что все взаимодействия локальны (тело действует на поле в непосредственной близости, а поле действует на другое тело) и распространяются с конечной скоростью.

Ответ: Взаимодействие электрических зарядов объясняется через посредника — электрическое поле. Один заряд создаёт поле, которое распространяется в пространстве с конечной скоростью и затем действует с силой на другой заряд.

Какие опытные факты доказывают справедливость теории поля?

Основным доказательством справедливости теории поля является существование электромагнитных волн и конечная скорость распространения электромагнитных взаимодействий. Ключевые опытные факты:

1. Эксперименты Генриха Герца (1886-1889 гг.). Герц экспериментально обнаружил электромагнитные волны, предсказанные теорией Максвелла. Он показал, что эти волны распространяются в пространстве с конечной скоростью (равной скорости света), отражаются, преломляются и поляризуются, что полностью соответствовало свойствам поля, а не мгновенному дальнодействию.

2. Существование света и других видов электромагнитного излучения. Свет, радиоволны, рентгеновские лучи — всё это электромагнитные волны, то есть распространяющиеся в пространстве переменные электрические и магнитные поля. Их существование невозможно объяснить в рамках теории дальнодействия.

3. Задержка сигнала. При связи с космическими аппаратами, находящимися на большом расстоянии от Земли, наблюдается задержка сигнала. Например, радиосигналу до Марса требуется несколько минут. Эта задержка точно соответствует времени, необходимому электромагнитной волне, чтобы преодолеть расстояние со скоростью света. Это прямое свидетельство конечной скорости распространения взаимодействия.

Ответ: Справедливость теории поля доказывается существованием электромагнитных волн (обнаруженных Г. Герцем), конечностью скорости их распространения (равной скорости света), а также наблюдаемой на практике задержкой распространения любых электромагнитных сигналов (свет, радиоволны) на большие расстояния.

3. В чём заключается принцип суперпозиции полей?

Принцип суперпозиции (наложения) полей является фундаментальным принципом электростатики. Он гласит, что напряжённость результирующего электрического поля, созданного в данной точке пространства системой из нескольких зарядов, равна векторной сумме напряжённостей полей, которые создавал бы в этой точке каждый из зарядов в отдельности, если бы других зарядов не было.

Математически для системы из $\text{N}$ точечных зарядов напряжённость $\vec{E}$ в некоторой точке определяется как:

$\vec{E} = \vec{E_1} + \vec{E_2} + ... + \vec{E_N} = \sum_{i=1}^{N} \vec{E_i}$

где $\vec{E_i}$ — напряжённость поля, создаваемого $\text{i}$-м зарядом. Это означает, что электрические поля создаются и существуют независимо друг от друга и не влияют на характеристики друг друга, а лишь складываются в каждой точке пространства. Этот принцип позволяет рассчитывать поля, создаваемые сложными распределениями зарядов (например, заряженными телами), разбивая их на совокупность точечных зарядов и суммируя (интегрируя) их поля.

Ответ: Принцип суперпозиции полей заключается в том, что напряжённость поля системы зарядов в любой точке пространства равна векторной сумме напряжённостей полей, создаваемых в этой точке каждым зарядом системы в отдельности.

4. Зависит ли напряжённость поля от пробного заряда?

Нет, напряжённость электрического поля не зависит от величины пробного заряда, который используется для её измерения. Напряжённость ($\vec{E}$) является силовой характеристикой самого поля в данной точке пространства.

По определению, напряжённость электрического поля — это физическая величина, равная отношению силы ($\vec{F}$), действующей на помещённый в данную точку поля точечный пробный заряд ($q_0$), к величине этого заряда:

$\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0}$

Сила $\vec{F}$, действующая на пробный заряд $q_0$ со стороны поля, созданного зарядом-источником $\text{Q}$, прямо пропорциональна величине пробного заряда $q_0$ (согласно закону Кулона, $F \sim q_0$). Например, для поля точечного заряда $\text{Q}$ сила равна $\vec{F} = k \frac{Q q_0}{r^2} \hat{r}$. Если подставить это выражение в формулу для напряжённости, то пробный заряд $q_0$ сокращается:

$\vec{E} = \frac{k \frac{Q q_0}{r^2} \hat{r}}{q_0} = k \frac{Q}{r^2} \hat{r}$

Как видно из итоговой формулы, напряжённость $\vec{E}$ зависит только от величины заряда-источника $\text{Q}$ и от расстояния $\text{r}$ до него (т.е. от положения точки в пространстве), но не от пробного заряда $q_0$. Важно отметить, что пробный заряд по определению должен быть настолько мал, чтобы не вызывать перераспределения зарядов, создающих исследуемое поле.

Ответ: Нет, напряжённость электрического поля является характеристикой самого поля в данной точке и не зависит от величины и знака пробного заряда, вносимого в эту точку для измерения.