Номер 2, страница 329 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Буховцев

Вопросы к параграфу. Параграф 99. Потенциальная энергия заряженного тела в однородном электростатическом поле. Глава 14. Электростатика - номер 2, страница 329.

Условие.

Решение.

Решение 3.

Решение

Потенциальная энергия заряженной частицы в электростатическом поле — это скалярная физическая величина, равная работе, которую совершают силы поля при перемещении частицы из данной точки поля в точку, потенциальная энергия в которой принята за ноль. Потенциальная энергия характеризует способность поля совершить работу по перемещению заряда.

Важно помнить, что абсолютное значение потенциальной энергии не имеет физического смысла, значима лишь её разность между двумя точками. Поэтому для вычисления потенциальной энергии необходимо выбрать нулевой уровень — поверхность (эквипотенциальную линию), где потенциальная энергия считается равной нулю.

Потенциальная энергия $W_p$ связана с потенциалом электрического поля $\phi$ и величиной заряда $q$ следующим соотношением:

$W_p = q \cdot \phi$

Рассмотрим однородное электрическое поле, то есть поле, в каждой точке которого вектор напряжённости $\vec{E}$ одинаков по модулю и направлению. Такое поле создаётся, например, между двумя большими параллельными разноимённо заряженными пластинами.

В однородном поле напряжённость $E$ постоянна. Выберем нулевой уровень потенциальной энергии (и, соответственно, потенциала $\phi = 0$) на некоторой эквипотенциальной плоскости, перпендикулярной вектору напряжённости $\vec{E}$.

Потенциал в любой другой точке, находящейся на расстоянии $d$ от этой нулевой плоскости, можно найти из соотношения $E = -\frac{\Delta \phi}{\Delta l}$, где $\Delta l$ — смещение вдоль силовой линии. Потенциал уменьшается в направлении вектора $\vec{E}$. Если мы измеряем расстояние $d$ от нулевой плоскости в направлении, противоположном вектору $\vec{E}$, то потенциал в этой точке будет положительным и равным:

$\phi = E \cdot d$

Подставляя это выражение в формулу для потенциальной энергии, получаем итоговую формулу:

$W_p = qEd$

где:

• $W_p$ — потенциальная энергия частицы в данной точке поля, измеряется в джоулях (Дж);
• $q$ — электрический заряд частицы, измеряется в кулонах (Кл);
• $E$ — модуль напряжённости однородного электрического поля, измеряется в вольтах на метр (В/м) или ньютонах на кулон (Н/Кл);
• $d$ — расстояние от данной точки до плоскости нулевого потенциала, измеренное вдоль силовой линии в направлении, противоположном вектору напряжённости $\vec{E}$.

Эта формула имеет прямую аналогию с формулой для потенциальной энергии тела в однородном поле тяготения Земли ($W_p = mgh$), где заряд $q$ аналогичен массе $m$, а напряжённость электрического поля $E$ аналогична напряжённости гравитационного поля $g$ (ускорению свободного падения).

Ответ:

Потенциальная энергия $W_p$ заряженной частицы в однородном электрическом поле равна произведению величины заряда частицы $q$, модуля напряжённости поля $E$ и расстояния $d$ от частицы до выбранного нулевого уровня потенциальной энергии: $W_p = qEd$. Расстояние $d$ измеряется вдоль силовой линии в направлении, противоположном вектору напряжённости поля $\vec{E}$.