Как поступить
в Онлайн-школу №1 и получить аттестат?

Подробно расскажем о том, как перевестись на дистанционный формат обучения, как устроены онлайн-уроки и учебный процесс, как улучшить успеваемость и повысить мотивацию!

Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных

Конспект урока: Эксперименты Кулона. Закон Кулона. Сложение электрических сил

Электростатика

Закон Кулона

План урока

  • Эксперименты Кулона
  • Закон Кулона
  • Примеры решения задач

Цели урока

  • Знать: понятие точечного заряда; закон Кулона; направление силы Кулона
  • Уметь: объяснять опыт по выявлению зависимости электрической силы взаимодействия зарядов от их величины и расстояния между ними; решать задачи на расчет силы Кулона

Разминка

  • Как распределяется заряд между одинаковыми заряженными телами при их соприкосновении?
  • Можно ли получить заряд, численно меньший заряда электрона?
  • Назовите значение заряда электрона и протона.

Эксперименты Кулона

 

Если размеры заряженных тел малы по сравнению с расстояниями между ними, размерами тел можно пренебречь. В этом случае тела считаются точечными зарядами.


Точечный заряд – заряженное тело, размерами которого в условиях данной задачи можно пренебречь.


Как вы уже знаете, заряд обозначается буквой q и в СИ измеряется в Кулонах (Кл). Единица измерения заряда названа в честь французского физика Шарля Кулона, который в 1785 г. открыл закон взаимодействия точечных зарядов.
 

Напомним, что минимально возможный заряд называется элементарным и по модулю равен заряду электрона или протона, так как заряды этих частиц численно равны:

 

qp = 1,6 ∙ 10-19 Кл,
qе = -1,6 ∙ 10-19 Кл.

 

Таким образом, заряд любого тела будет кратен элементарному заряду.

Рис. 1. Крутильные весы Рис. 1. Крутильные весы

Для изучения взаимодействия точечных зарядов Кулон использовал крутильные весы (рис. 1).
 

В данном приборе на упругой нити закреплена стеклянная палочка - рычаг с двумя шариками: шарик 2 контактирует с заряженным шариком 1, шарик с противоположной стороны рычага является противовесом. Заряженный шарик 1 легко вынимается из конструкции без необходимости открывать корпус.
 

Если шарики 1 и 2 заряжены одноименными зарядами, они будут отталкиваться, рычаг на нити будет поворачиваться на некоторый угол.

По углу отклонения от первоначального положения оценивается сила отталкивания заряженных шариков; шкала на приборе позволяет оценить расстояние, на которое расходятся шарики.

 

Так как в конце XVIII века еще не был измерен элементарный заряд, Кулон в своих опытах использовал свойство заряда делится поровну между одинаковыми по размеру телами.
 

В начале эксперимента шарик 2 имел некоторый заряд q. При контакте с шариком 1 этот заряд разделился поровну: на обоих шариках заряд стал равен q/2. Зарядившись, шарики разошлись на некоторый угол и расстояние, которое было измерено.
 

После этого шарик 1 извлекается из прибора, разряжается и вновь помещается в крутильные весы. При взаимодействии с шариком 2, заряд снова делится поровну: на каждом из них устанавливается заряд q/4. Измеренное расстояние и угол фиксируются.
 

Повторив указанные действия еще множество раз, Кулон установил закономерность между силой взаимодействия точечных зарядов, их величиной и расстоянием между ними. Полученная закономерность получила название закон Кулона.

 

Закон Кулона


Закон Кулона : два точечных неподвижных заряда, находящиеся в вакууме взаимодействуют между собой с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними.


Математическое выражение закона Кулона имеет следующий вид:
 

Fк=kq1·q2r2,
 

где Fк [Н] – модуль силы взаимодействия двух точечных зарядов;
q1 [Кл] – заряд первого тела;
q2 [Кл] – заряд второго тела;
r [м] – расстояние между зарядами;
k [Н ∙ м2/Кл2] – коэффициент пропорциональности.

 

В вакууме значение коэффициента пропорциональности равно: k = 9 ∙ 109 Н ∙ м2/Кл2.
 

Если точечные заряды взаимодействуют в вакууме, значение коэффициента пропорциональности можно считать равным приведенному значению. В среде сила взаимодействия двух зарядов будет рассчитываться по-другому (подробнее о взаимодействии зарядов в среде вы узнаете в 10 классе).

Рис. 2. Зависимость силы Кулона от расстояния между зарядами Рис. 2. Зависимость силы Кулона от расстояния между зарядами

На рисунке 2 представлен график зависимости силы взаимодействия двух точечных зарядов от расстояния между ними.
 

По третьему закону Ньютона два тела взаимодействуют с силами, равными по модулю и противоположными по направлению. Поэтому, если точечный заряд q1 действует на заряд q2 с силой F, то и заряд q2 действует на первый заряд q1 с той же по величине силой F.

Известно, что одноименно заряженные тела отталкиваются, поэтому направление силы, с которой взаимодействуют такие тела изображено на рисунке 3, а. Разноименно заряженные тела, напротив, притягиваются. Направление кулоновской силы в этом случае изображено на рисунке 3, б.

Рис. 3. Направление силы Кулона при взаимодействии одноименных и разноименных зарядов Рис. 3. Направление силы Кулона при взаимодействии одноименных и разноименных зарядов

Примеры решения задач


Пример 1

 

Два точечных заряда взаимодействуют в вакууме с силой F = 16 мН. С какой силой будут взаимодействовать эти заряды при уменьшении расстояния между ними в 2 раза?


Решение
 

Сила, с которой взаимодействуют два точечных заряда находится по формуле:

 

Fк=kq1·q2r2.

 

Сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.
 

Так как расстояние между зарядами уменьшилось в 2 раза, сила Кулона, с которой взаимодействуют заряды, увеличилась в 4 раза и стала равна 64 мН.

 

Ответ: 64 мН.


Пример 2

 

Рассчитайте силу, с которой взаимодействуют два точечных заряда q1 = 2 Кл и q2 = 10 Кл на расстоянии 20 км друг от друга.


Решение

 

Сила, с которой взаимодействуют два точечных заряда находится по формуле выше, тогда модуль силы Кулона равен:

 

Fк=kq1·q2r2=9·1092·10200002=450 Н.

 

Ответ: 450 Н.


Итоги

 

  • Закон Кулона : два точечных неподвижных заряда, находящиеся в вакууме взаимодействуют между собой с силой, модуль которой прямо пропорционален произведению модулей этих зарядов и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними: Fк=kq1·q2r2.


Упражнение 1

 

1. Заряд q1 действует на другой точечный заряд q2 с силой F = 0,2 Н. С какой силой заряд q2 действует на заряд q1?
 

2. Два точечных заряда взаимодействуют в вакууме с силой F = 2 мкН. Чему будет равна сила взаимодействия двух точечных зарядов, при уменьшении расстояния между ними в 2 раза и увеличении модуля одного из них в 3 раза?
 

3. Оцените силу, с которой взаимодействуют два точечных заряда q1 = 0,5 Кл и q2 = 1 Кл на расстоянии 50 м друг от друга.


Контрольные вопросы

 

1. Используя рисунок 1, опишите эксперимент, поставленный Кулоном.
2. Как направлена кулоновская сила при взаимодействии разноименных зарядов?
3. Сформулируйте закон Кулона.


Ответы

 

Упражнение 1

 

1. 0,2 Н.
 

2. 24 мкН.
 

3. 1,8 МН.


Электрические явления. Электризация тел. Два вида электрических зарядов

Электростатика
  • В поисках путей модернизации. Европа меняющаяся

    История

  • Повседневная жизнь и мировосприятие человека XIX века

    История

  • Экономическое развитие в XIX – начале ХХ века. Меняющееся общество

    История