Страница 101 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Опишите опыт, который показывает, что электрическое взаимодействие передаётся без соприкосновения заряженных тел.

1. Для демонстрации того, что электрическое взаимодействие передается на расстоянии (без соприкосновения), можно провести классический опыт с электроскопом.

Оборудование:

• Электроскоп — прибор для индикации электрического заряда.
• Эбонитовая (или стеклянная) палочка.
• Кусочек шерсти (или шелка).

Ход опыта:

1. Убедимся, что электроскоп не заряжен — его лепестки висят вертикально и параллельно друг другу.
2. Наэлектризуем палочку трением (например, эбонитовую палочку о шерсть). Палочка приобретет отрицательный электрический заряд.
3. Поднесем заряженную палочку к металлическому шару электроскопа, не допуская их соприкосновения.

Наблюдение:

При приближении палочки к шару лепестки электроскопа отклоняются друг от друга, расходясь на некоторый угол. Если убрать палочку, лепестки немедленно возвращаются в исходное вертикальное положение.

Объяснение и вывод:

Это явление называется электростатической индукцией. Заряженная палочка создает в окружающем пространстве электрическое поле. Когда палочка оказывается вблизи электроскопа, её поле действует на свободные заряды (электроны) в проводящей системе прибора (шар, стержень, лепестки). Отрицательно заряженная палочка отталкивает электроны. Они перемещаются как можно дальше от палочки — с шара на лепестки. В результате шар электроскопа испытывает недостаток электронов и заряжается положительно, а на лепестках скапливается избыток электронов, и они заряжаются отрицательно. Так как оба лепестка заряжены одноименно (отрицательно), они отталкиваются друг от друга, что и вызывает их расхождение.

Поскольку палочка не касалась электроскопа, взаимодействие произошло на расстоянии. Это доказывает, что электрическое взаимодействие передается через пространство посредством электрического поля, а не требует прямого контакта тел.

Ответ: Опыт, который показывает, что электрическое взаимодействие передается без соприкосновения, заключается в следующем: к шару незаряженного электроскопа подносят (не касаясь) заряженное тело, например, эбонитовую палочку. Наблюдаемое расхождение лепестков электроскопа происходит под действием электрического поля заряженного тела на расстоянии (явление электростатической индукции) и доказывает, что для электрического взаимодействия не нужен непосредственный контакт.

2. Что является источником электрического поля?

2. Что является источником электрического поля?

Электрическое поле — это особый вид материи, существующий вокруг электрически заряженных тел или частиц, а также в областях, где изменяется магнитное поле. Соответственно, источниками электрического поля являются:

• Электрические заряды. Любое тело или частица, обладающие электрическим зарядом (например, протон, электрон), создают вокруг себя в пространстве электрическое поле. Это поле, создаваемое зарядами, называется электростатическим, если заряды неподвижны.

• Переменные магнитные поля. Согласно закону электромагнитной индукции, любое изменяющееся во времени магнитное поле порождает в окружающем пространстве вихревое электрическое поле, силовые линии которого замкнуты.

Таким образом, электрическое поле может быть создано как зарядами, так и изменяющимися магнитными полями.

Ответ: Источниками электрического поля являются электрические заряды и переменные магнитные поля.

3. Как можно экспериментально обнаружить электрическое поле?

Электрическое поле невидимо, поэтому судить о его наличии можно лишь по его силовому действию. Основной способ экспериментального обнаружения электрического поля основан на том, что оно действует с некоторой силой на помещенный в него электрический заряд.

Для обнаружения и исследования поля используют так называемый пробный заряд — точечный положительный заряд, который настолько мал, что не искажает исследуемое поле. Если на пробный заряд $q_{пробн}$, помещенный в некоторую точку пространства, действует сила $F$, то это означает, что в этой точке существует электрическое поле. Эта сила связана с напряженностью электрического поля $E$ соотношением:

$F = q_{пробн} \cdot E$

На практике для демонстрации наличия поля можно использовать:

• Легкую заряженную гильзу или шарик на шелковой нити. Если при внесении в исследуемую область гильза отклоняется, значит, на нее действует электрическая сила, что свидетельствует о наличии поля.

• Электроскоп или электрометр. При поднесении прибора к источнику поля на его проводящих частях (стержне и лепестках/стрелке) происходит явление электростатической индукции — перераспределение зарядов. В результате этого лепестки или стрелка расходятся на определенный угол, что позволяет зафиксировать наличие поля.

Ответ: Экспериментально обнаружить электрическое поле можно, поместив в исследуемую область пространства пробный электрический заряд и зафиксировав действующую на него силу. Наличие такой силы указывает на присутствие электрического поля.

3. Как можно экспериментально обнаружить электрическое поле?

3. Электрическое поле невидимо и не может быть обнаружено непосредственно органами чувств. Его обнаруживают по силовому действию, которое оно оказывает на электрические заряды. Чтобы экспериментально обнаружить наличие электрического поля в какой-либо области пространства, необходимо внести в эту область тело, обладающее электрическим зарядом.

В качестве такого тела обычно используют так называемый пробный заряд. Это точечный положительный заряд, величина которого достаточно мала, чтобы не оказывать существенного влияния на исследуемое поле. Если на пробный заряд, помещенный в некоторую точку, начинает действовать сила, это означает, что в данной точке существует электрическое поле.

Для демонстрации наличия поля можно использовать простые приборы:

• Электроскоп или электрометр: при поднесении заряженного объекта (источника поля) к шару незаряженного электрометра, его стрелка или лепестки отклоняются. Это происходит из-за явления электростатической индукции — поле перераспределяет заряды в проводящих частях прибора, в результате чего на них начинают действовать силы отталкивания.
• Легкий заряженный шарик на непроводящей нити: если такой шарик внести в область электрического поля, он отклонится от вертикального положения под действием электрической силы.

Таким образом, основной метод обнаружения электрического поля — это регистрация силы, действующей на электрический заряд.

Ответ: Экспериментально обнаружить электрическое поле можно по его силовому действию на внесенный в него электрический заряд. Для этого в исследуемую область помещают пробный заряд (или заряженное тело) и фиксируют появление действующей на него силы с помощью приборов, например, электрометра.

4. Основной силовой характеристикой электрического поля является векторная физическая величина — напряжённость электрического поля. Она обозначается символом $\vec{E}$.

Напряжённость электрического поля в данной точке определяется как отношение силы $\vec{F}$, с которой поле действует на неподвижный точечный пробный положительный заряд $q_{0}$, помещённый в эту точку, к величине этого заряда:

$$ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_{0}} $$

Физический смысл напряжённости заключается в следующем: напряжённость электрического поля в данной точке численно равна силе, которая действует на единичный положительный заряд ($q_{0} = +1$ Кл), помещённый в эту точку. Направление вектора напряжённости $\vec{E}$ совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд. Если в поле поместить отрицательный заряд, то сила, действующая на него, будет направлена в сторону, противоположную вектору $\vec{E}$.

Напряжённость является локальной характеристикой поля, то есть она может быть разной в разных точках пространства как по величине, так и по направлению. Единицей измерения напряжённости в Международной системе единиц (СИ) является ньютон на кулон (Н/Кл) или вольт на метр (В/м).

Ответ: Силовой характеристикой электрического поля является напряжённость ($\vec{E}$). Это векторная величина, показывающая, с какой силой поле действует на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку. Её смысл состоит в том, что она определяет силу, действующую на заряд в любой точке поля.

4. Какая физическая величина является характеристикой электрического поля? Каков её физический смысл?

3. Экспериментально обнаружить электрическое поле можно по его силовому действию на внесенный в него электрический заряд. Для этого используется так называемый пробный заряд — точечный положительный заряд, величина которого достаточно мала, чтобы он не искажал исследуемое поле. Если в какой-либо точке пространства на пробный заряд действует сила, значит, в этой точке существует электрическое поле. Величину и направление этой силы можно измерить, например, с помощью динамометра или по отклонению заряженного тела (например, легкой гильзы на шелковой нити) от положения равновесия. Приборы, предназначенные для обнаружения электрического поля, называются электрометрами или электроскопами.

Ответ: Экспериментально электрическое поле можно обнаружить, поместив в него пробный заряд и зафиксировав действующую на него силу.

4. Основной силовой характеристикой электрического поля является физическая величина, называемая напряжённостью электрического поля. Это векторная величина, обозначаемая символом $\vec{E}$.

Физический смысл напряжённости заключается в том, что она показывает, какая сила действует на единичный положительный заряд в данной точке поля. Напряжённость электрического поля определяется как отношение силы $\vec{F}$, с которой поле действует на пробный заряд $q$, помещенный в данную точку, к величине этого заряда: $\vec{E} = \frac{\vec{F}}{q}$. Направление вектора напряжённости $\vec{E}$ совпадает с направлением силы $\vec{F}$, действующей на положительный пробный заряд. Таким образом, напряженность является характеристикой самого поля в данной точке и не зависит от величины пробного заряда.

Ответ: Характеристикой электрического поля является напряжённость $\vec{E}$. Её физический смысл: напряжённость численно равна силе, действующей на единичный положительный заряд, помещенный в данную точку поля.

5. Единица напряжённости электрического поля в Международной системе единиц (СИ) следует из её определения: $E = \frac{F}{q}$. Поскольку сила измеряется в ньютонах (Н), а электрический заряд — в кулонах (Кл), то единицей напряжённости является ньютон на кулон (Н/Кл).

Также для измерения напряжённости используется другая единица — вольт на метр (В/м). Эти единицы эквивалентны: $1 \frac{\text{Н}}{\text{Кл}} = 1 \frac{\text{В}}{\text{м}}$.

Ответ: Единица напряжённости электрического поля — ньютон на кулон (Н/Кл) или вольт на метр (В/м).

5. Какова единица напряжённости электрического поля?

5. Какова единица напряженности электрического поля?

Напряженность электрического поля ($ \vec{E} $) — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой электрического поля в данной точке. Она определяется как отношение силы ($ \vec{F} $), с которой поле действует на помещенный в эту точку пробный положительный заряд ($q_0$), к величине этого заряда.

Математически это выражается формулой:

$ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0} $

Исходя из этой формулы, можно определить единицу измерения напряженности. В Международной системе единиц (СИ) сила измеряется в ньютонах (Н), а электрический заряд — в кулонах (Кл). Следовательно, основной единицей измерения напряженности электрического поля является ньютон на кулон (Н/Кл).

Существует и другая, эквивалентная единица измерения напряженности — вольт на метр (В/м). Эту единицу можно получить из связи напряженности с разностью потенциалов. Для однородного поля напряженность связана с напряжением ($U$) и расстоянием ($d$) между точками поля вдоль силовой линии следующим соотношением:

$ E = \frac{U}{d} $

Здесь напряжение (разность потенциалов) измеряется в вольтах (В), а расстояние — в метрах (м). Отсюда и получается единица В/м.

Равенство этих единиц ($1 \text{ Н/Кл} = 1 \text{ В/м}$) можно показать формально:

$ 1 \frac{\text{В}}{\text{м}} = 1 \frac{\text{Дж/Кл}}{\text{м}} = 1 \frac{\text{Дж}}{\text{Кл} \cdot \text{м}} = 1 \frac{\text{Н} \cdot \text{м}}{\text{Кл} \cdot \text{м}} = 1 \frac{\text{Н}}{\text{Кл}} $

Таким образом, обе единицы являются правильными и взаимозаменяемыми.

Ответ: Единицей измерения напряженности электрического поля в системе СИ является ньютон на кулон (Н/Кл) или, что эквивалентно, вольт на метр (В/м).

6. Как опытным путём определить направление напряжённости электрического поля?

Направление напряженности электрического поля в некоторой точке пространства по определению совпадает с направлением силы, действующей на положительный пробный заряд, помещенный в эту точку. Исходя из этого определения, можно провести эксперимент для определения направления вектора напряженности $ \vec{E} $.

Для этого необходимо:

1. Взять небольшой по размерам и по величине заряда объект, имеющий известный положительный заряд ($+q_0$). Этот объект называется пробным зарядом. Он должен быть достаточно мал, чтобы не вносить существенных искажений в исследуемое поле.
2. Поместить этот пробный заряд в ту точку пространства, где требуется определить направление напряженности. Чтобы заряд мог свободно перемещаться под действием электрической силы, его можно, например, подвесить на тонкой непроводящей (диэлектрической) нити, такой как шёлковая.
3. Пронаблюдать за направлением отклонения нити с пробным зарядом от вертикали. Сила $ \vec{F} $, действующая на положительный пробный заряд, заставит его сместиться. Направление этой силы и будет являться направлением вектора напряженности электрического поля $ \vec{E} $ в данной точке.

Например, если поднести положительный пробный заряд к положительно заряженному телу, то пробный заряд будет отталкиваться. Следовательно, вектор напряженности поля направлен от положительного заряда. Если же поднести положительный пробный заряд к отрицательно заряженному телу, он будет притягиваться, и вектор напряженности будет направлен к отрицательному заряду.

Если бы в качестве пробного использовался отрицательный заряд ($-q_0$), то сила, действующая на него ($ \vec{F} $), была бы направлена в сторону, противоположную вектору напряженности ($ \vec{E} $), так как $ \vec{F} = (-q_0)\vec{E} $. В этом случае, определив направление силы, нужно было бы сделать вывод, что вектор напряженности направлен в противоположную сторону.

Ответ: Чтобы опытным путем определить направление напряженности электрического поля, нужно в исследуемую точку поля поместить положительный пробный заряд и определить направление силы, действующей на него. Направление этой силы совпадет с направлением напряженности поля.

6. Как опытным путём определить направление напряжённости электрического поля?

6. Для экспериментального определения направления напряженности электрического поля необходимо исходить из ее физического определения. Напряженность электрического поля $ \vec{E} $ в некоторой точке пространства — это векторная величина, определяемая как отношение силы $ \vec{F} $, действующей на точечный пробный заряд $ q_0 $, помещенный в эту точку, к величине этого заряда:

$$ \vec{E} = \frac{\vec{F}}{q_0} $$

По определению, в качестве пробного заряда используется положительный заряд ($ q_0 > 0 $). Из формулы видно, что поскольку $ q_0 $ является положительной скалярной величиной, направление вектора напряженности $ \vec{E} $ совпадает с направлением вектора силы $ \vec{F} $, действующей на этот положительный пробный заряд.

Таким образом, чтобы определить направление напряженности опытным путем, нужно выполнить следующие шаги:

1. Взять тело с небольшим положительным зарядом (пробный заряд). Пробный заряд должен быть достаточно мал, чтобы его собственное поле не вносило заметных искажений в исследуемое поле. В качестве такого тела можно использовать, например, легкую бузиновую или пенопластовую гильзу, подвешенную на длинной шелковой нити.
2. Поместить этот пробный заряд в исследуемую точку электрического поля.
3. Наблюдать за направлением силы, которая будет действовать на пробный заряд. Под действием этой силы тело придет в движение или, если оно подвешено, нить отклонится от вертикали.
4. Направление силы, а следовательно, и направление отклонения или начального движения положительного пробного заряда, и будет являться направлением вектора напряженности электрического поля в данной точке.

Ответ: Чтобы опытным путем определить направление напряженности электрического поля, необходимо в исследуемую точку поля поместить небольшой положительный пробный заряд и определить направление силы, действующей на него. Это направление и будет направлением вектора напряженности.

1. Предложите эксперименты, подтверждающие гипотезу Рихмана об электрическом поле.

Гипотеза Георга Вильгельма Рихмана, современника М. В. Ломоносова, заключалась в том, что вокруг наэлектризованных тел существует особая «электрическая атмосфера», которая и является причиной взаимодействия тел на расстоянии. Сегодня мы называем эту «атмосферу» электрическим полем. Подтвердить эту гипотезу можно с помощью ряда простых экспериментов, демонстрирующих, что электрическое взаимодействие происходит без непосредственного контакта, через пространство, окружающее заряды.

1. Эксперимент по демонстрации взаимодействия на расстоянии

Оборудование: эбонитовая (или стеклянная) палочка, кусок меха (или шёлка), лёгкая гильза из фольги (или маленький кусочек бумаги), подвешенная на шёлковой нити.

Ход эксперимента:

1. Наэлектризуем палочку, потерев её о мех. Палочка получит электрический заряд.
2. Не касаясь гильзы, поднесём к ней наэлектризованную палочку.

Наблюдение: Лёгкая гильза, изначально неподвижная, придёт в движение и притянется к палочке, хотя прямого контакта между ними не было.

Вывод: Заряженная палочка создаёт в окружающем её пространстве нечто, что действует с силой на гильзу. Это невидимое силовое воздействие, передающееся через пространство, и есть проявление электрического поля («электрической атмосферы» по терминологии Рихмана).

Ответ: Эксперимент доказывает, что вокруг заряженного тела существует область, в которой действуют электрические силы, то есть электрическое поле, способное вызывать притяжение других тел на расстоянии.

2. Эксперимент с использованием электрометра для обнаружения поля

Оборудование: электрометр (или электроскоп), любой предмет, который можно наэлектризовать (например, стеклянная палочка и шёлк).

Ход эксперимента:

1. Наэлектризуем палочку.
2. Поднесём заряженную палочку к металлическому шару (стержню) электрометра, не касаясь его.

Наблюдение: Стрелка электрометра (или лепестки электроскопа) отклонится. Если приближать палочку, угол отклонения увеличится, если удалять — уменьшится. Если убрать палочку совсем, стрелка вернётся в исходное положение.

Вывод: Электрическое поле заряженной палочки распространяется в пространстве и действует на свободные заряды в проводящей системе электрометра, вызывая их перераспределение (явление электростатической индукции). Это приводит к тому, что стрелка и корпус электрометра заряжаются одноимённо и отталкиваются. Интенсивность поля зависит от расстояния, что подтверждается изменением угла отклонения стрелки.

Ответ: Эксперимент демонстрирует, что электрическое поле можно обнаружить и косвенно измерить его интенсивность в разных точках пространства с помощью прибора, что подтверждает его объективное существование.

3. Эксперимент по визуализации структуры поля

Оборудование: неглубокая стеклянная ванночка (чашка Петри), касторовое или вазелиновое масло, мелкие диэлектрические частицы (манная крупа, мелко нарезанные волосы или чайные чаинки), два металлических электрода, источник высокого напряжения (например, электрофорная машина).

Ход эксперимента:

1. Нальём в ванночку масло и насыплем в него тонкий слой манной крупы.
2. Опустим в масло электроды на некотором расстоянии друг от друга и подключим их к полюсам источника высокого напряжения.

Наблюдение: Частицы манной крупы выстроятся в упорядоченные цепочки, образующие линии, идущие от одного электрода к другому. Эти линии наглядно показывают картину силовых линий электрического поля.

Вывод: Электрическое поле не просто существует, но и имеет определённую структуру в пространстве. Частицы поляризуются в поле и выстраиваются вдоль его силовых линий, делая эту структуру видимой.

Ответ: Эксперимент позволяет визуализировать силовые линии электрического поля и подтверждает, что оно представляет собой упорядоченную структуру в пространстве между зарядами.

2. Как определить направление электрической силы, действующей на отрицательно заряженное тело в электрическом поле, если известно направление напряжённости этого поля?

Решение

Электрическая сила $\vec{F}$, действующая на точечный заряд $q$, который находится в электрическом поле, связана с напряжённостью этого поля $\vec{E}$ следующей формулой:

$\vec{F} = q \cdot \vec{E}$

Это векторное равенство, которое показывает, что направление вектора силы $\vec{F}$ зависит от знака заряда $q$.

• Если заряд $q$ положительный ($q > 0$), то векторы силы $\vec{F}$ и напряжённости $\vec{E}$ сонаправлены, то есть указывают в одну и ту же сторону. Это следует из определения напряженности, которая по направлению совпадает с силой, действующей на пробный положительный заряд.
• Если заряд $q$ отрицательный ($q < 0$), то вектор силы $\vec{F}$ направлен в сторону, противоположную вектору напряжённости $\vec{E}$. Это происходит потому, что умножение вектора на отрицательное число (в данном случае на отрицательный заряд $q$) меняет его направление на противоположное (на 180°).

Таким образом, зная направление вектора напряжённости электрического поля, можно однозначно определить направление силы, действующей на отрицательно заряженное тело.

Ответ: Электрическая сила, действующая на отрицательно заряженное тело в электрическом поле, направлена в сторону, противоположную направлению вектора напряжённости этого поля.