Номер 3, страница 121 - гдз по физике 10 класс учебник Громыко, Зенькович

3. Опишите эксперименты Кулона по исследованию взаимодействия электрических зарядов.

В 1785-1789 годах французский физик Шарль Огюстен де Кулон провел серию точных экспериментов для количественного исследования силы взаимодействия между электрическими зарядами. Главной целью было найти математический закон, описывающий эту силу, по аналогии с законом всемирного тяготения Ньютона. Для своих измерений Кулон использовал изобретенный им прибор — крутильные весы.

Устройство крутильных весов и принцип измерения

Крутильные весы представляли собой очень чувствительный прибор. Их основные компоненты:

• Тонкая упругая нить (серебряная, платиновая или шелковая), подвешенная вертикально.
• Легкое непроводящее коромысло (например, из шеллака или соломинка), закрепленное горизонтально на нижнем конце нити.
• На одном конце коромысла находился маленький проводящий шарик (например, бузиновый, покрытый позолотой), а на другом — противовес.
• Вся система помещалась в стеклянный цилиндр для защиты от потоков воздуха. На стенке цилиндра была нанесена угловая шкала для измерения угла отклонения коромысла.
• Верхний конец нити был прикреплен к специальной головке (микрометрическому винту), которую можно было поворачивать на точно известный угол, измеряемый по другой шкале.

Принцип работы весов основан на том, что сила, приложенная к шарику на коромысле, заставляет его поворачиваться, закручивая нить. Упругая нить сопротивляется закручиванию, создавая упругий момент силы, пропорциональный углу закручивания. Коромысло останавливается, когда момент силы электрического взаимодействия уравновешивается упругим моментом нити. Таким образом, измерив угол закручивания нити, можно было судить о величине действующей силы. Сила взаимодействия $F$ прямо пропорциональна углу закручивания $\alpha$: $F \sim \alpha$.

Эксперимент по изучению зависимости силы от расстояния

1. Шарику на коромысле (назовем его А) сообщали электрический заряд. Через отверстие в крышке прибора вносили второй, точно такой же шарик (Б), заряженный одноименным зарядом.

2. Под действием силы отталкивания шарик А отходил от шарика Б, закручивая нить на некоторый угол $\alpha_1$. Расстояние $r_1$ между центрами шариков измеряли по шкале на цилиндре. Этот угол соответствовал силе отталкивания $F_1$.

3. Затем Кулон поворачивал верхнюю головку подвеса на известный угол $\beta$ в сторону, сближающую шарики. Коромысло поворачивалось, и шарики устанавливались на новом, меньшем расстоянии $r_2$. При этом итоговый угол закручивания нити становился равен $\alpha_2 = \alpha_{нов} + \beta$, где $\alpha_{нов}$ — новый угол отклонения коромысла по шкале. Этот угол соответствовал новой, большей силе отталкивания $F_2$.

4. Проведя серию таких измерений при разных расстояниях, Кулон обнаружил, что сила взаимодействия обратно пропорциональна квадрату расстояния между центрами заряженных шариков. Например, при уменьшении расстояния в 2 раза, сила возрастала в 4 раза. Математически это выражается как:

$F \propto \frac{1}{r^2}$

Эксперимент по изучению зависимости силы от величины зарядов

Для этого эксперимента Кулону нужен был способ изменять величину заряда известным образом. Он разработал следующий метод:

1. Он заряжал один шарик (пусть его заряд $q$) и измерял силу взаимодействия $F$ с другим таким же заряженным шариком на определенном расстоянии.

2. Затем он брал заряженный шарик и приводил его в соприкосновение с третьим, точно таким же, но незаряженным шариком. В силу симметрии заряд делился поровну, и на первом шарике оставался заряд $q/2$.

3. Вернув шарик с зарядом $q/2$ в установку на то же расстояние, Кулон обнаружил, что сила взаимодействия уменьшилась вдвое.

4. Проделав ту же операцию со вторым шариком (уменьшив его заряд до $q/2$), он зафиксировал, что сила взаимодействия стала равна четверти от первоначальной.

Из этих наблюдений Кулон сделал вывод, что сила взаимодействия прямо пропорциональна произведению величин взаимодействующих зарядов:

$F \propto |q_1| \cdot |q_2|$

Вывод: Закон Кулона

Объединив результаты двух серий экспериментов, Шарль Кулон сформулировал закон, названный его именем: сила взаимодействия двух неподвижных точечных зарядов в вакууме прямо пропорциональна произведению модулей этих зарядов и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

В математической форме закон записывается так:

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

где $F$ — модуль силы взаимодействия, $q_1$ и $q_2$ — величины зарядов, $r$ — расстояние между ними, а $k$ — коэффициент пропорциональности (коэффициент Кулона).

Ответ: Шарль Кулон с помощью крутильных весов экспериментально установил количественный закон взаимодействия электрических зарядов. Он последовательно исследовал зависимость силы от расстояния и от величины зарядов. В ходе экспериментов было показано, что сила взаимодействия: 1) обратно пропорциональна квадрату расстояния между зарядами ($F \propto 1/r^2$); 2) прямо пропорциональна произведению величин зарядов ($F \propto |q_1 q_2|$). Эти открытия легли в основу закона Кулона, который является фундаментальным законом электростатики.