Номер 4, страница 170 - гдз по физике 8 класс учебник Пурышева, Важеевская

Глава 6. Электрические явления. § 42*. Закон Кулона. Вопросы для самопроверки - номер 4, страница 170.

Условие.

4. Объясните суть опытов Кулона с крутильными весами.

Решение.

4. Объясните суть опытов Кулона с крутильными весами.

Целью опытов Шарля Кулона, проведённых в 1785 году, было количественное определение зависимости силы взаимодействия между электрическими зарядами от их величины и расстояния между ними. Для этого он сконструировал и использовал высокочувствительный прибор — крутильные весы.

Устройство представляло собой лёгкое непроводящее коромысло, подвешенное в горизонтальном положении на тонкой упругой нити (например, серебряной или шёлковой). На одном конце коромысла находился небольшой проводящий шарик `a`, а на другом — противовес. Эта система помещалась в стеклянный сосуд для защиты от воздушных потоков. Через отверстие в крышке сосуда можно было вносить второй такой же шарик `c`, закреплённый на изолирующем держателе. На стенке сосуда была нанесена шкала для измерения угла поворота коромысла.

Суть эксперимента состояла в следующем:

1. Шарикам `a` и `c` сообщали электрические заряды (например, касаясь их наэлектризованным телом). Затем шарик `c` вносили в прибор и располагали на определённом расстоянии от шарика `a`.

2. Возникавшая между одноимённо заряженными шариками сила отталкивания $\text{F}$ заставляла коромысло поворачиваться, закручивая нить подвеса.

3. При закручивании в нити возникал упругий момент силы $M_{упр}$, который стремился вернуть коромысло в исходное положение. Величина этого момента была прямо пропорциональна углу закручивания нити $\phi$: $M_{упр} = C \cdot \phi$, где $\text{C}$ — это модуль кручения, постоянная для данной нити величина.

4. Коромысло приходило в равновесие, когда момент силы электростатического отталкивания $M_{эл} = F \cdot L$ (где $\text{L}$ — длина плеча, т.е. половина коромысла) уравновешивался упругим моментом силы нити: $F \cdot L = C \cdot \phi$. Поскольку $\text{C}$ и $\text{L}$ были постоянны, сила взаимодействия оказывалась прямо пропорциональна углу поворота: $F \propto \phi$. Таким образом, измеряя угол $\phi$ по шкале, Кулон мог измерить относительную величину силы взаимодействия.

Проведя серию измерений, Кулон установил две ключевые зависимости:

• Зависимость силы от расстояния. Кулон менял расстояние $\text{r}$ между шариками и измерял соответствующий угол закручивания $\phi$. Он обнаружил, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами шариков: $F \propto \frac{1}{r^2}$.

• Зависимость силы от величины зарядов. Чтобы изменять величину заряда, Кулон применял метод деления. Он касался заряженного шарика точно таким же, но незаряженным, в результате чего заряд делился пополам. Повторяя эту операцию, он мог получать заряды $q/2$, $q/4$ и т.д. Измеряя силу взаимодействия для разных величин зарядов, он установил, что она прямо пропорциональна произведению их величин: $F \propto q_1 \cdot q_2$.

Объединив эти результаты, Кулон сформулировал фундаментальный закон электростатики, названный его именем.

Ответ: Суть опытов Кулона заключалась в измерении силы электростатического взаимодействия двух заряженных шариков с помощью крутильных весов. Сила определялась по углу закручивания упругой нити, на которой было подвешено коромысло с одним из шариков. Систематически изменяя расстояние между шариками и величину их зарядов (используя метод деления заряда), Кулон экспериментально установил, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению величин зарядов ($F \propto q_1 q_2$) и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними ($F \propto 1/r^2$), что и составило содержание открытого им закона.