Закон Кулона: поле вокруг точечного заряда
1 · Прогноз
Одинокий точечный заряд стоит в пространстве. Если отнести пробную точку вдвое дальше, насколько упадёт напряжённость электрического поля?
- Поле падает до 1/4 — оно спадает как квадрат расстояния.
- Поле падает до 1/2 — оно спадает линейно по расстоянию.
- Поле одинаково при любом расстоянии.
2 · Подготовка
- Откройте пресет single-charge и нажмите «Сброс». Заряд-источник зафиксирован: q = 5 нКл.
- Включите показание напряжённости поля в пробной точке.
- Задайте расстояние пробной точки от заряда для каждой пробы и запишите напряжённость поля.
3 · Сбор данных
| Расстояние r (m) | Потенциал V (V) | Напряжённость поля E (N/C) |
|---|---|---|
| 1.00 | ||
| 2.00 | ||
| 3.00 |
Постройте напряжённость E (ось y) против 1/r² (ось x) для трёх проб. Линия прямая через начало координат?
4 · Анализ
- Для одной пробы вычислите E = kq/r², используя k = 8.99×10⁹ Н·м²/Кл²; q = 5 нКл. Сравните с таблицей.
- По обратно-квадратичному закону объясните, почему удвоение расстояния ослабляет поле вчетверо, а не вдвое.
5 · Развитие
- Ваш столбец потенциала (V = kq/r) убывает мягче, чем поле (1/r вместо 1/r²). Объясните, почему потенциал и поле зависят от расстояния по-разному, хотя оба происходят от одного и того же заряда-источника.
- Закон Кулона E = kq/r² имеет ту же математическую форму, что и ньютоновское поле тяготения g = GM/r². Почему два совершенно разных взаимодействия (электрическое и гравитационное) могут разделять структуру обратного квадрата?
Физика этого эксперимента
Закон Кулона
Точечный заряд создаёт радиальное электрическое поле, убывающее как квадрат расстояния: E = kq/r², где k = 1/(4πε₀) ≈ 8.99×10⁹ Н·м²/Кл². Сила на пробный заряд равна F = qE.