Исследования по электростатике. Продолжение

Исследование 5.

Физическая модель опыта Милликена.

Цель исследования: выяснить условия равновесия заряженного шарика вблизи равномерно наэлектризованной плоскости, разработать модельный опыт, иллюстрирующий физическую сущность эксперимента по определению величины элементарного заряда.

Материалы: заряженный шарик на нити, пластина из пенопласта, стеклянная палочка, шелк, вата, пластины конденсатора, электрофорная машина.

Ход исследования: рассмотрим условия равновесия заряженного шарика вблизи равномерно наэлектризованной плоскости . На шарик действуют сила тяжести mg, сила натяжения нити T, направленные вниз; архимедова сила F_A, сила со стороны электрического поля F_Э, направленные вверх. Условия равновесия mg + T = F_A + F_Э

Определив силу тяжести, силу натяжения нити с помощью динамометра, вычислив архимедову силу, зная объем шарика, можно оценить силу со стороны электрического поля.

Для демонстрации опыта Иоффе - Милликена необходимо комочек ваты величиной с горошину распушить так, чтобы он медленно падал в воздухе. Стеклянную палочку заряжают и подносят к вате. Вата пристает к палочке. Энергично встряхивая палочку с ватой, заряжают вату одноименным с палочкой зарядом, вата отстает от палочки и остается в воздухе. Подставляя палочку снизу к комочку ваты, заставляют парить вату в воздухе подобно капельке масла в опыте Иоффе - Милликена.

С той же целью можно использовать пластины конденсатора. Расположить пластины конденсатора горизонтально и зарядить верхнюю пластину от электрофорной машины. В пространство между пластинами можно подвешивать небольшие мыльные пузыри.

Выводы: заряженный шарик вблизи равномерно заряженной пластины, комочек ваты, мыльные пузыри находятся в равновесии под действием силы тяжести и силы со стороны электрического поля.

Исследование 6.

Тепловое действие электричества.

Цель исследования: проверить гипотезу о нагревании проводника при электрическом разряде через проводник.

Материалы и оборудование: электрофорная машина, лампа накаливания, проводящий шарик, провода.

Ход исследования: соединить один конец лампы с кондуктором электрофорной машины, второй конец лампы соединить с проводящим шариком, находящимся рядом со вторым кондуктором. После приведения электрофорной машины в действие лампа вспыхивает в те моменты, когда между шариком и кондуктором проскакивает искра. Электрический заряд, проходя по проводнику при разряде заряженного тела, нагревает проводник.

Выводы: электрический заряд, проходя при разряде заряженного тела по проводнику, нагревает проводник.

Исследование 7.

Доказательность опытов Кулона.

Цель исследования: показать, что экспериментальные результаты подтверждают закон Кулона.

Материалы: экспериментальные данные опыта Кулона.

Ход и выводы исследования: первоначальный угол закручивания нити

α₁ = 24⁰

Угол между шариками уменьшили в два раза: α ₂ =12⁰. Если длина коромысла от шарика 1 до точки подвеса равна d, то расстояние между шариками

r₁ = 2dsin(α₁/2).

Когда угол поворота коромысла уменьшился в два раза, расстояние между шариками стало равно

r₂ = 2dsin(α₂/2). Отношение этих расстояний

Чтобы сблизить шарики до угла α ₂ =12⁰, пришлось повернуть верхний конец нити крутильных весов на угол β = 84⁰ Угол γ, на который оказалась в результате закручена нить, стал равен: γ = α ₂ + β = 12⁰ +84⁰ = 96⁰. Значение этого угла в 4 раза больше первоначального значения угла закручивания α₁ = 24⁰.

Следовательно, при уменьшении расстояния в 2 раза угол кручения нити был увеличен в 4 раза. Во столько же раз увеличился момент силы, так как при деформации кручения момент силы прямо пропорционален углу закручивания, значит, и сила увеличилась в 4 раза (плечо силы оставалось неизменным). Таким образом, экспериментальные данные Кулона доказывают, что сила взаимодействия двух заряженных шариков обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними:

.

Исследование 8.

Экспериментальное подтверждение следствия закона Кулона.

Цель исследования: доказать справедливость закона Кулона.

Материалы и оборудование: два пенопластовых шарика, покрытых тонкой алюминиевой фольгой, линейка, источник света, экран с миллиметровой шкалой, эбонитовая палочка, шерсть.

Результаты исследования: два пенопластовых шарика, покрытых тонкой алюминиевой фольгой, подвешены на шелковых нитях. Нити слегка касаются стеклянной трубки, закрепленной горизонтально. Трубка служит направляющей при расхождении шариков. За шариками на расстоянии примерно 10 см установлен экран с миллиметровой шкалой. Шарики освещены лампой так, чтобы на экране от шариков образовались четкие тени. Соприкасающиеся шарики заряжают от эбонитовой наэлектризованной палочки.

Как следует из приведенных данных, в пределах ошибок отношение r₁³/h одинаково. Следовательно, сила Кулона обратно пропорциональна квадрату расстояния между заряженными телами.

Для доказательства того, что кулоновская сила прямо пропорциональна произведению зарядов, достаточно при неизменном подвесе изменять заряд одного из шариков прикосновением к нему незаряженного одинакового шарика. Тогда

Результаты измерений представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Как следует из приведенных данных, сила Кулона прямо пропорциональна произведению взаимодействующих зарядов.

Выводы: эксперимент подтвердил справедливость следствия из закона Кулона. Сила Кулона прямо пропорциональна произведению зарядов взаимодействующих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.