Страница 102 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

ЗАДАНИЕ

1. Составьте план эксперимента, доказывающего, что электрическое поле обладает энергией.

1. Чтобы доказать, что электрическое поле обладает энергией, необходимо провести эксперимент, в котором энергия поля будет преобразована в другую, легко наблюдаемую форму энергии (например, световую, тепловую или механическую). Классическим примером такого эксперимента является зарядка и разрядка конденсатора.

Цель эксперимента: Экспериментально доказать, что электрическое поле, создаваемое между обкладками заряженного конденсатора, обладает энергией.

Оборудование:

• Источник постоянного тока (например, батарея или лабораторный блок питания).
• Конденсатор большой электроёмкости (например, электролитический конденсатор на 1000–4700 мкФ).
• Электрическая лампочка накаливания, рассчитанная на напряжение источника тока (например, от карманного фонаря).
• Двухпозиционный переключатель или ключ.
• Соединительные провода.

План и ход эксперимента:

1. Собрать электрическую цепь. Цепь должна позволять с помощью переключателя сначала подключать конденсатор к источнику тока для его зарядки, а затем, отключив от источника, подключать его к лампочке для разрядки.

2. Зарядить конденсатор. Установить переключатель в положение, соединяющее конденсатор с источником тока. Подождать несколько секунд, чтобы конденсатор полностью зарядился. В это время между его обкладками создаётся электрическое поле. Энергия $W$, запасенная в этом поле, рассчитывается по формуле $W = \frac{C \cdot U^2}{2}$, где $C$ — ёмкость конденсатора, а $U$ — напряжение источника.

3. Продемонстрировать наличие энергии. Переключить ключ в положение, соединяющее заряженный конденсатор с лампочкой. Цепь с источником тока при этом размыкается.

4. Наблюдать и анализировать результат. В момент подключения к конденсатору лампочка кратковременно, но ярко вспыхивает.

Объяснение и вывод:

Кратковременная вспышка лампы свидетельствует о прохождении через её нить накала электрического тока. Электрический ток — это упорядоченное движение заряженных частиц. Для того чтобы привести заряды в движение и нагреть нить лампы до свечения, необходимо совершить работу. Эту работу совершает электрическое поле, существовавшее между обкладками конденсатора. Таким образом, энергия электрического поля преобразуется в световую и тепловую энергию. Факт совершения работы доказывает, что электрическое поле обладало запасом энергии.

Ответ: План эксперимента состоит в следующем: 1. Собрать цепь из источника тока, конденсатора большой ёмкости, лампочки и переключателя. 2. Зарядить конденсатор от источника тока, создав между его обкладками электрическое поле. 3. Разрядить конденсатор на лампочку. Наблюдаемая кратковременная вспышка лампы доказывает, что энергия, запасённая в электрическом поле конденсатора, преобразовалась в световую и тепловую энергию, а следовательно, электрическое поле обладает энергией.

2. Как изменяется сила, действующая на заряженную гильзу при удалении её от заряженного тела? Как это показать на опыте?

Как изменяется сила, действующая на заряженную гильзу при удалении её от заряженного тела?

Сила взаимодействия между двумя заряженными телами (в данном случае — заряженной гильзой и другим заряженным телом) описывается законом Кулона. Этот закон утверждает, что сила электростатического взаимодействия $F$ между двумя точечными зарядами $q_1$ и $q_2$ обратно пропорциональна квадрату расстояния $r$ между ними.

Математически это выражается формулой:

$F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$

где $k$ – это коэффициент пропорциональности.

Из данной формулы видно, что при увеличении расстояния $r$ (то есть при удалении гильзы от заряженного тела) знаменатель дроби $r^2$ будет увеличиваться. Так как сила $F$ находится в обратной зависимости от квадрата расстояния, её величина будет уменьшаться.

Ответ: При удалении заряженной гильзы от заряженного тела сила, действующая на нее, уменьшается.

Как это показать на опыте?

Зависимость силы взаимодействия от расстояния можно продемонстрировать с помощью следующего опыта:

1. Подвесим на тонкой непроводящей (например, шелковой) нити легкую гильзу, сделанную из станиоля (оловянной фольги) или просто маленький комочек фольги.
2. Наэлектризуем эбонитовую палочку, потерев ее о шерсть или мех. Палочка приобретет отрицательный заряд.
3. Прикоснемся заряженной палочкой к гильзе. Часть заряда перейдет с палочки на гильзу, в результате чего и палочка, и гильза будут заряжены одноименно (отрицательно).
4. Снова поднесем палочку к гильзе. Поскольку их заряды теперь одноименные, гильза оттолкнется от палочки и отклонится от вертикального положения на некоторый угол. Величина этого угла является мерой силы отталкивания — чем больше сила, тем больше угол отклонения.
5. Будем медленно отодвигать (удалять) палочку от гильзы.

Мы будем наблюдать, что по мере увеличения расстояния между палочкой и гильзой, угол отклонения последней будет уменьшаться, и гильза будет постепенно возвращаться в исходное положение равновесия (на вертикали). Это наблюдение наглядно показывает, что сила электростатического взаимодействия уменьшается с увеличением расстояния между телами.

Ответ: На опыте это можно показать, наблюдая за уменьшением угла отклонения заряженной гильзы, подвешенной на нити, по мере удаления от нее другого заряженного тела.