Номер 1, страница 45, часть 2 - гдз по физике 10 класс учебник Кронгарт, Казахбаева

Творите

Придумайте простой опыт, позволяющий определить эквипотенциальные линии исследуемого электростатического поля.

Для определения эквипотенциальных линий исследуемого электростатического поля можно провести простой наглядный опыт, основанный на методе моделирования поля в электролитической ванне.

Цель опыта: Экспериментально найти и нанести на карту точки с одинаковым электрическим потенциалом, чтобы построить эквипотенциальные линии.

Оборудование и материалы:

• Плоская непроводящая кювета (ванна), желательно с прозрачным дном (например, стеклянный или пластиковый лоток).

• Источник постоянного напряжения (например, батарейка "Крона" на 9 В или лабораторный блок питания).

• Цифровой вольтметр с высоким внутренним сопротивлением и двумя щупами.

• Электроды нужной формы для создания исследуемого поля (например, два металлических стержня для поля диполя или две параллельные пластины для однородного поля).

• Слабо проводящая жидкость (электролит), например, обычная водопроводная вода.

• Лист миллиметровой бумаги, соответствующий размеру дна кюветы.

• Соединительные провода.

Порядок проведения опыта:

1. Подготовка установки. Под дно прозрачной кюветы помещается лист миллиметровой бумаги, который будет играть роль координатной системы. В кювету наливается тонкий слой (около 1 см) водопроводной воды. Электроды размещаются в кювете в нужной конфигурации и подключаются к полюсам источника постоянного напряжения. Это создает в воде стационарное электрическое поле.

2. Выбор опорного потенциала. Один щуп вольтметра (будем называть его опорным) подключается к одному из электродов (например, к отрицательному). Потенциал этой точки условно принимается за ноль ($V_{ref} = 0$). Опорный щуп должен оставаться в этом положении в течение всего измерения одной линии.

3. Поиск точек с равным потенциалом. Взяв второй (измерительный) щуп, его погружают в воду и начинают перемещать, следя за показаниями вольтметра. Задача — найти точку, в которой потенциал имеет заранее выбранное значение, например, $V_1 = 1$ В. Как только такая точка найдена, ее координаты отмечают на миллиметровой бумаге (или на отдельном листе, повторяющем схему установки).

4. Продолжение поиска. Не меняя опорный щуп и целевое значение потенциала ($V_1 = 1$ В), ищут другие точки в кювете с таким же потенциалом. Найденные точки также отмечаются на схеме.

5. Построение эквипотенциальной линии. Когда найдено достаточное количество точек (5-10) для потенциала $V_1$, их соединяют на схеме плавной линией. Эта линия и является эквипотенциальной линией для потенциала $V_1$.

6. Построение карты поля. Для получения полной картины поля опыт повторяют для нескольких других значений потенциала: $V_2 = 2$ В, $V_3 = 3$ В и так далее. Для каждого значения строится своя эквипотенциальная линия. В результате получается семейство эквипотенциальных линий, которое наглядно демонстрирует структуру исследуемого электрического поля.

Объяснение метода:

Распределение потенциала $\text{V}$ в слабопроводящей среде, по которой течет постоянный ток, описывается тем же уравнением Лапласа, что и распределение потенциала электростатического поля в вакууме или диэлектрике в областях, не содержащих зарядов: $\Delta V = 0$. Электроды, подключенные к источнику, задают граничные условия (значения потенциала на их поверхностях). Таким образом, картина распределения потенциала в воде оказывается геометрически подобной картине электростатического поля, создаваемого электродами такой же формы. Вольтметр, измеряя разность потенциалов между опорной и измерительной точками, позволяет найти точки с одинаковым потенциалом относительно общего "нуля".

Ответ: Простой опыт по определению эквипотенциальных линий можно провести с помощью электролитической ванны. В кювету с водой помещают электроды, подключенные к источнику напряжения. С помощью вольтметра, один щуп которого закреплен на одном из электродов, а второй перемещается по кювете, находят точки с одинаковым значением потенциала. Соединяя эти точки на схеме, получают эквипотенциальные линии исследуемого поля.