Номер 1, страница 122 - гдз по физике 10 класс учебник Казахбаева, Кронгарт

1. Как объясняет взаимодействие электрических зарядов теория поля?

1. Теория поля, также известная как теория близкодействия, объясняет взаимодействие электрических зарядов через промежуточную среду — электромагнитное поле. Этот подход пришел на смену концепции дальнодействия, которая предполагала, что тела действуют друг на друга мгновенно на расстоянии через пустоту без какой-либо среды.

Согласно теории поля, процесс взаимодействия происходит в два этапа:

1. Каждый электрический заряд (например, заряд $q_1$) создает в окружающем его пространстве особую форму материи — электрическое поле. Это поле существует независимо от того, есть ли в нем другие заряды, и обладает определенными физическими свойствами в каждой точке пространства, главным из которых является напряженность $\vec{E}$. Напряженность поля, создаваемого точечным зарядом $q_1$ в точке на расстоянии $r$ от него, определяется выражением: $\vec{E} = k \frac{q_1}{r^2} \cdot \frac{\vec{r}}{r}$, где $k$ — коэффициент пропорциональности.

2. Если в это поле, созданное первым зарядом, поместить другой заряд (например, $q_2$), то поле подействует на него с силой, называемой силой Кулона. Эта сила пропорциональна величине второго заряда и напряженности поля в той точке, где он находится: $\vec{F} = q_2 \vec{E}$.

Таким образом, взаимодействие зарядов осуществляется не напрямую, а опосредованно: заряд $q_1$ → поле $\vec{E}$ → сила $\vec{F}$ на заряд $q_2$.

Ключевым аспектом теории поля является конечность скорости распространения взаимодействий. Любые изменения в поле (например, из-за перемещения заряда-источника) распространяются в пространстве не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме ($c \approx 3 \cdot 10^8$ м/с). Если заряд-источник сместится, то другой заряд, находящийся на расстоянии $r$, "узнает" об этом только через время $\Delta t = r/c$.

Ответ: Теория поля объясняет взаимодействие электрических зарядов как двухэтапный процесс, опосредованный электрическим полем. Сначала каждый заряд создает вокруг себя в пространстве электрическое поле. Затем это поле действует на любой другой заряд, помещенный в него, с определенной силой. Взаимодействие распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света.

2. Справедливость теории поля, в противовес теории дальнодействия, доказывается рядом фундаментальных опытных фактов:

1. Конечная скорость распространения взаимодействий. Если бы взаимодействие было мгновенным (дальнодействие), то любое изменение положения одного заряда тут же сказывалось бы на другом, независимо от расстояния. Однако эксперименты показывают, что электромагнитные возмущения распространяются со скоростью света. Например, изменение магнитного поля Солнца регистрируется на Земле только спустя примерно 8 минут. Это запаздывание — прямое следствие того, что поле-посредник должно преодолеть расстояние от источника до приемника.

2. Существование электромагнитных волн. Теория электромагнитного поля, созданная Максвеллом, предсказала, что ускоренно движущиеся заряды должны излучать электромагнитные волны — распространяющиеся в пространстве периодические изменения электромагнитного поля, которые могут существовать независимо от породивших их зарядов. В 1888 году Генрих Герц экспериментально обнаружил эти волны (радиоволны), подтвердив их свойства: они распространяются в вакууме со скоростью света, отражаются, преломляются и интерферируют. Существование радио, света, рентгеновских лучей и других видов электромагнитных волн является неопровержимым доказательством реальности поля.

3. Наличие у поля энергии, импульса и массы. Электромагнитное поле является не просто математической абстракцией, а физической реальностью, обладающей энергией и импульсом. Энергия электрического поля запасается в заряженном конденсаторе, а энергия магнитного поля — в катушке с током. Электромагнитные волны переносят энергию и импульс. Давление света, предсказанное Максвеллом и экспериментально подтвержденное Петром Лебедевым в 1900 году, является прямым проявлением того, что поле обладает импульсом. Согласно формуле Эйнштейна $E=mc^2$, обладание энергией эквивалентно обладанию массой. Способность поля хранить и переносить энергию и импульс доказывает его материальность.

Ответ: Справедливость теории поля доказывается тремя основными группами опытных фактов: 1) конечная скорость распространения взаимодействий, равная скорости света; 2) существование электромагнитных волн (свет, радиоволны), которые могут распространяться в пространстве независимо от своих источников; 3) способность электромагнитного поля обладать энергией, импульсом и массой, что подтверждается такими явлениями, как давление света и работа устройств, запасающих энергию в полях (конденсаторы, индуктивности).