Номер 1, страница 372 - гдз по физике 10 класс учебник Касьянов

Вопросы. Параграф 79. Закон Кулона. 14. Силы электромагнитного взаимодействия неподвижных зарядов. Электростатика - номер 1, страница 372.

Условие.

1. Опишите эксперимент Кулона с крутильными весами.

Решение.

1. Опишите эксперимент Кулона с крутильными весами.

Эксперимент Шарля Кулона, проведенный в 1785 году, был направлен на количественное исследование силы взаимодействия между электрическими зарядами. Для этого он использовал созданный им прибор — крутильные весы.

Устройство крутильных весов:

Основной частью прибора была тонкая упругая нить (шелковая или серебряная), подвешенная вертикально внутри стеклянного цилиндра для защиты от потоков воздуха. К нижнему концу нити было прикреплено легкое непроводящее коромысло. На одном конце коромысла находился маленький заряженный металлический шарик (а), а на другом — противовес. В крышке цилиндра имелось отверстие, через которое можно было внести второй, точно такой же, но неподвижно закрепленный на изолирующем стержне шарик (b). Сверху на приборе была шкала с делениями (лимб), позволяющая измерять угол закручивания нити.

Ход эксперимента:

1. Зарядка шариков. Сначала шарикам (a) и (b) сообщались электрические заряды. Например, им можно было сообщить одноименные заряды.

2. Измерение силы. Шарик (b) вносился внутрь прибора и сближался с шариком (a). Сила электрического отталкивания между одноименно заряженными шариками заставляла коромысло поворачиваться, закручивая упругую нить. Коромысло останавливалось в тот момент, когда момент силы упругости закрученной нити уравновешивал момент силы электрического взаимодействия. Сила упругости нити, как известно из механики, прямо пропорциональна углу закручивания. Следовательно, измерив угол поворота коромысла ($ \alpha $), можно было судить о величине силы взаимодействия зарядов: $ F \sim \alpha $.

3. Исследование зависимости силы от расстояния. Кулон измерял угол закручивания нити при различных расстояниях между центрами шариков (a) и (b). Расстояние он мог контролировать, поворачивая всю верхнюю часть подвеса. В результате он обнаружил, что сила взаимодействия убывает обратно пропорционально квадрату расстояния между шариками: $ F \sim \frac{1}{r^2} $.

4. Исследование зависимости силы от величины зарядов. Чтобы изменять величину заряда, Кулон использовал метод деления. Он заряжал шарик, а затем приводил его в соприкосновение с точно таким же, но незаряженным шариком. При этом заряд делился поровну. Проводя эту процедуру многократно, он мог получать заряды, равные $q, q/2, q/4$ и т.д. Измеряя силу взаимодействия при разных величинах зарядов, он установил, что она прямо пропорциональна произведению величин взаимодействующих зарядов: $ F \sim |q_1| \cdot |q_2| $.

Объединив полученные результаты, Кулон сформулировал свой знаменитый закон.

Ответ: В эксперименте с крутильными весами Шарль Кулон измерял силу взаимодействия двух заряженных шариков по углу закручивания упругой нити, на которой был подвешен один из шариков. Он установил, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению величин зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

2. Сформулируйте закон Кулона.

Закон Кулона описывает силу взаимодействия между двумя неподвижными точечными электрическими зарядами.

Словесная формулировка: Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Эта сила направлена вдоль прямой, соединяющей заряды. Она является силой отталкивания, если заряды одноименные, и силой притяжения, если они разноименные.

Математическая формула закона Кулона:

$F = k \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2}$

где:

• $F$ — модуль силы взаимодействия (сила Кулона),
• $q_1$ и $q_2$ — величины взаимодействующих точечных зарядов,
• $r$ — расстояние между зарядами,
• $k$ — коэффициент пропорциональности, называемый электростатической постоянной. В системе СИ его значение составляет $k \approx 9 \cdot 10^9 \frac{Н \cdot м^2}{Кл^2}$. Коэффициент $k$ также выражается через электрическую постоянную $ \epsilon_0 $: $ k = \frac{1}{4\pi\epsilon_0} $.

Ответ: Сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Формула: $F = k \frac{|q_1| \cdot |q_2|}{r^2}$.