Номер 2, страница 98 - гдз по физике 8 класс учебник Хижнякова, Синявина

Глава 6. Электрический заряд. Электрическое поле. Параграф 27. Закон Кулона. Вопросы - номер 2, страница 98.

Условие.

2. Объясните по рис. 64 действие экспериментальной установки Кулона по определению силы взаимодействия между точечными зарядами.

Рис. 64

Решение.

Решение

На рисунке 64 изображена экспериментальная установка — крутильные весы, с помощью которых Шарль Кулон впервые измерил силу взаимодействия электрических зарядов. Принцип действия установки основан на уравновешивании момента силы электростатического взаимодействия моментом силы упругости закрученной нити.

Установка состоит из лёгкого непроводящего коромысла, подвешенного на тонкой упругой вертикальной нити. На одном конце коромысла находится маленький проводящий шарик А, а на другом — противовес В. Эта система помещена в стеклянный цилиндр для защиты от воздушных потоков. Через отверстие в крышке в прибор вводится ещё один такой же шарик С на изолирующей ручке.

Эксперимент начинается с того, что шарикам А и С сообщают одноимённые электрические заряды. Из-за электростатического отталкивания между шариками возникает сила $F_{эл}$. Эта сила действует на шарик А и создаёт вращающий момент относительно оси подвеса (нити). Под действием этого момента коромысло начинает поворачиваться, закручивая нить.

При закручивании в нити возникает противодействующий упругий момент $M_{упр}$, который, согласно закону Гука для кручения, прямо пропорционален углу закручивания $\alpha$: $M_{упр} = C \cdot \alpha$, где $\text{C}$ — торсионный коэффициент (жёсткость нити на кручение).

Коромысло вращается до тех пор, пока система не придёт в равновесие. В этот момент вращающий момент силы отталкивания $M_{эл} = F_{эл} \cdot l$ (где $\text{l}$ — длина плеча, равная расстоянию от нити до центра шарика А) становится равным по модулю упругому моменту $M_{упр}$. Таким образом, в равновесии выполняется условие: $F_{эл} \cdot l = C \cdot \alpha$.

Из этого соотношения видно, что измеряемая сила электрического взаимодействия прямо пропорциональна углу закручивания нити, который можно определить по шкале, нанесённой на цилиндр: $F_{эл} \propto \alpha$. Проводя измерения при различных расстояниях между шариками и при разных значениях их зарядов, Кулон смог установить количественный закон взаимодействия, известный как закон Кулона.

Ответ: Действие установки Кулона основано на измерении силы электростатического взаимодействия через угол закручивания упругой нити. Сила отталкивания (или притяжения) между заряженными шариками A и C создаёт вращающий момент. Этот момент уравновешивается упругим моментом, возникающим в закрученной нити. Поскольку упругий момент пропорционален углу закручивания, измерив этот угол по шкале, можно определить величину электрической силы.