Практическая работа Основы электростатики Цель работы: Научиться применять закон Кулона для определения величин взаимодействующих зарядов, их масс и условий взаимодействия, рассчитывать характеристики электрических полей. Теория По закону Кулона сила взаимодействия между двумя точечными электрическими зарядами задается следующим выражением: q1 q 2 F 4 0 r 2 где q1 и q2 – абсолютные значения зарядов; r – расстояние между зарядами; ε – относительная диэлектрическая проницаемость среды, в которой находятся заряды; ε 0 – электрическая постоянная. В случае неточечных зарядов вводятся следующие понятия. 1 Линейная плотность заряда для равномерно заряженного проводника: q 2 где dl – элемент длины проводника; dq – заряд этого элемента длины. Поверхностная плотность заряда для равномерно заряженной поверхности: q s где ds – элемент площади поверхности проводника; dq – заряд этого элемента поверхности. Приведем основные формулы для расчета электростатического поля. Общее определение вектора напряженности поля: E напряженности F q Откуда сила, действующая на заряд q, помещенный в поле E: F qE Напряженность поля точечного заряда или заряженной сферы: E Q 4 0 r 2 где Q – заряд, создающий поле; r - расстояние от заряда (или центра заряженной сферы) до данной точки поля. Напряженность поля двух разноименно заряженной параллельной плоскости: E 2 0 где σ – поверхностная плотность заряда; ε- диэлектрическая проницаемость окружающей среды. Напряженность двух разноименно плоскостей (поле плоского конденсатора): E заряженных параллельных 0 Если электрическое поле образованно несколькими точечными зарядами qi, то его вектор напряженности E в данной точке равен векторной сумме напряженностей E i полей, созданных в этой точке каждым зарядом в отдельности (принцип суперпозиции электрических полей): n E E 1 Примеры решения задач Задачи для самостоятельного решения Вариант 1 Задача 1. Протон движется с ускорением 94 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 2. Электростатическое поле создано неподвижным точечным зарядом Q. В точке, находящейся на расстоянии r = 49 см от заряда, потенциал поля φ = 0,55 кВ. Определите модуль силы, действующей со стороны поля на точечный заряд q = 6,7 нКл, помещённый в эту точку. (сначала перевести в СИ, н – нано, к- кило) (подсказка - Из формулы для потенциала поля точечного заряда найти значение заряда и подставить его в закон Кулона) Задача 3. В центре сферы с равномерно распределённым положительным зарядом Q1 =25 нКл находится маленький шарик с отрицательным зарядом, модуль которого |Q2|= 6 нКл. Определите потенциал электростатического поля в точке, находящейся вне сферы на расстоянии r = 20 м от её центра. Задача 4. Напряженность электрического поля вблизи земли перед разрядом молнии иногда достигает 3 МВ/ м. Какая сила действует на пылинку, имеющую заряд 40 нКл, находящуюся в этом поле? (сначала перевести в СИ, М-мега) Задача 5. Для защиты от молнии взрывоопасные помещения покрывают металлической заземленной сеткой. Объясните, зачем это делают? Вариант 2 Задача 1. Протон движется с ускорением 55 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 2. Электростатическое поле создано неподвижным точечным зарядом Q. В точке, находящейся на расстоянии r = 49 см от заряда, потенциал поля φ = 0,55 кВ. Определите модуль силы, действующей со стороны поля на точечный заряд q = 6,7 нКл, помещённый в эту точку. (сначала перевести в СИ, н – нано, к- кило) (подсказка - Из формулы для потенциала поля точечного заряда найти значение заряда и подставить его в закон Кулона) Задача 3. В центре сферы с равномерно распределённым положительным зарядом Q1 = 56 нКл находится маленький шарик с отрицательным зарядом, модуль которого |Q2|= 15 нКл. Определите потенциал электростатического поля в точке, находящейся вне сферы на расстоянии r = 8 м от её центра. Задача 4. Напряженность электрического поля вблизи земли перед разрядом молнии иногда достигает 8 МВ/ м. Какая сила действует на пылинку, имеющую заряд 25 нКл, находящуюся в этом поле? (сначала перевести в СИ, М-мега) Задача 5. Между заземленным и незаземленным металлическими шарами на изолированной нити висит незаряженный металлический шарик. Объясните его поведение при перемещении заряженного шара. Вариант 3 Задача 1. Протон движется с ускорением 34 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 2.Электростатическое поле создано неподвижным точечным зарядом Q. В точке, находящейся на расстоянии r = 65см от заряда, потенциал поля φ = 4,85 кВ. Определите модуль силы, действующей со стороны поля на точечный заряд q = 3,8 нКл, помещённый в эту точку. (сначала перевести в СИ, н – нано, к- кило) (подсказка - Из формулы для потенциала поля точечного заряда найти значение заряда и подставить его в закон Кулона) Задача 3. В центре сферы с равномерно распределённым положительным зарядом Q1 =48 нКл находится маленький шарик с отрицательным зарядом, модуль которого |Q2|= 25 нКл. Определите потенциал электростатического поля в точке, находящейся вне сферы на расстоянии r = 12 м от её центра. Задача 4. Напряженность электрического поля вблизи земли перед разрядом молнии иногда достигает 5 МВ/ м. Какая сила действует на пылинку, имеющую заряд 39 нКл, находящуюся в этом поле? (сначала перевести в СИ, М-мега) Задача 5. Протон движется с ускорением 34 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 6. Каким способом заряженный проводник может отдать весь свой заряд другому изолированному проводнику? Вариант 4 Задача 1. Протон движется с ускорением 89 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 2. Электростатическое поле создано неподвижным точечным зарядом Q. В точке, находящейся на расстоянии r = 23см от заряда, потенциал поля φ = 0,22 кВ. Определите модуль силы, действующей со стороны поля на точечный заряд q = 8,4 нКл, помещённый в эту точку. (сначала перевести в СИ, н – нано, к- кило) (подсказка - Из формулы для потенциала поля точечного заряда найти значение заряда и подставить его в закон Кулона) Задача 3. В центре сферы с равномерно распределённым положительным зарядом Q1 =45 нКл находится маленький шарик с отрицательным зарядом, модуль которого |Q2|= 13 нКл. Определите потенциал электростатического поля в точке, находящейся вне сферы на расстоянии r = 15 м от её центра. Задача 4. Напряженность электрического поля вблизи земли перед разрядом молнии иногда достигает 7 МВ/ м. Какая сила действует на пылинку, имеющую заряд 50 нКл, находящуюся в этом поле? (сначала перевести в СИ, М-мега) Задача 5. Протон движется с ускорением 89 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 6. В кабине бензовоза имеется надпись «При наливе и сливе топлива обязательно включить заземление». Для чего это необходимо делать? Вариант 5 Задача 1. Протон движется с ускорением 56 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 2. Электростатическое поле создано неподвижным точечным зарядом Q. В точке, находящейся на расстоянии r = 48см от заряда, потенциал поля φ = 0,42 кВ. Определите модуль силы, действующей со стороны поля на точечный заряд q = 5,7 нКл, помещённый в эту точку. (сначала перевести в СИ, н – нано, к- кило) (подсказка - Из формулы для потенциала поля точечного заряда найти значение заряда и подставить его в закон Кулона) Задача 3. В центре сферы с равномерно распределённым положительным зарядом Q1 =35 нКл находится маленький шарик с отрицательным зарядом, модуль которого |Q2|= 7 нКл. Определите потенциал электростатического поля в точке, находящейся вне сферы на расстоянии r = 25 м от её центра. Задача 4. Напряженность электрического поля вблизи земли перед разрядом молнии иногда достигает 4 МВ/ м. Какая сила действует на пылинку, имеющую заряд 68 нКл, находящуюся в этом поле? (сначала перевести в СИ, М-мега) Задача 5 Между заземленным и незаземленным металлическими шарами на изолированной нити висит незаряженный металлический шарик. Объясните его поведение при перемещении заряженного шара. Вариант 6 Задача 1. Протон движется с ускорением 45 км/с в электрическом поле. Определить напряженность поля. (сначала перевести в СИ). (подсказка – использовать формулы F = Ee F = ma) Задача 2. Электростатическое поле создано неподвижным точечным зарядом Q. В точке, находящейся на расстоянии r = 54см от заряда, потенциал поля φ = 2,12 кВ. Определите модуль силы, действующей со стороны поля на точечный заряд q = 2,9 нКл, помещённый в эту точку. (сначала перевести в СИ, н – нано, к- кило) (подсказка - Из формулы для потенциала поля точечного заряда найти значение заряда и подставить его в закон Кулона) Задача 3. В центре сферы с равномерно распределённым положительным зарядом Q1 =30 нКл находится маленький шарик с отрицательным зарядом, модуль которого |Q2|= 5 нКл. Определите потенциал электростатического поля в точке, находящейся вне сферы на расстоянии r = 15 м от её центра. Задача 4. Напряженность электрического поля вблизи земли перед разрядом молнии иногда достигает 9 МВ/ м. Какая сила действует на пылинку, имеющую заряд 43 нКл, находящуюся в этом поле? (сначала перевести в СИ, М-мега) Задача 5. При каких условиях перенос электрического заряда не сопровождается затратами энергии?
