Prawo Coulomba: pole wokół ładunku punktowego
1 · Prognoza
Pojedynczy ładunek punktowy siedzi sam w przestrzeni. Jeśli odsuniesz punkt próbny dwa razy dalej, o ile spadnie natężenie pola elektrycznego?
- Pole spada do 1/4 — maleje z kwadratem odległości.
- Pole spada do 1/2 — maleje liniowo z odległością.
- Pole pozostaje takie same niezależnie od odległości.
2 · Przygotowanie
- Otwórz preset single-charge i naciśnij Reset. Ładunek źródłowy jest ustalony: q = 5 nC.
- Włącz odczyt natężenia pola w punkcie próbnym.
- Ustaw odległość punktu próbnego od ładunku dla każdej próby i zapisz natężenie pola.
3 · Zbieranie danych
| Odległość r (m) | Potencjał V (V) | Natężenie pola E (N/C) |
|---|---|---|
| 1.00 | ||
| 2.00 | ||
| 3.00 |
Narysuj natężenie pola E (oś y) względem 1/r² (oś x) dla trzech prób. Czy prosta przechodzi przez początek układu?
4 · Analiza
- Dla jednej próby oblicz E = kq/r², używając k = 8.99×10⁹ N·m²/C²; q = 5 nC. Porównaj z tabelą.
- Prawem odwrotności kwadratu wyjaśnij, dlaczego podwojenie odległości czterokrotnie zmniejsza natężenie, a nie dwukrotnie.
5 · Rozszerzenie
- Twoja kolumna potencjału (V = kq/r) opada łagodniej niż pole (1/r zamiast 1/r²). Wyjaśnij, dlaczego potencjał i pole mają różną zależność od odległości, choć oba pochodzą od tego samego ładunku źródłowego.
- Prawo Coulomba E = kq/r² ma dokładnie tę samą formę matematyczną co newtonowskie pole grawitacyjne g = GM/r². Dlaczego dwie zupełnie różne siły (elektryczna i grawitacyjna) mogłyby dzielić tę strukturę odwrotnego kwadratu?
Fizyka tego eksperymentu
Prawo Coulomba
Ładunek punktowy tworzy radialne pole elektryczne opadające z kwadratem odległości: E = kq/r², gdzie k = 1/(4πε₀) ≈ 8.99×10⁹ N·m²/C². Siła na ładunek próbny to F = qE.