Định luật Coulomb: Trường xung quanh điện tích điểm
1 · Dự đoán
Một điện tích điểm nằm một mình trong không gian. Nếu bạn di chuyển điểm kiểm tra ra xa gấp đôi thì cường độ điện trường giảm bao nhiêu?
- Trường giảm xuống còn 1/4 - nó giảm theo bình phương khoảng cách.
- Trường giảm xuống còn 1/2 - nó giảm tuyến tính theo khoảng cách.
- Trường vẫn giữ nguyên bất kể khoảng cách.
2 · Thiết lập
- Mở cài đặt trước cho một lần sạc và nhấn Đặt lại. Điện tích của nguồn được cố định ở q = 5 nC.
- Kích hoạt tính năng đọc cường độ trường tại điểm kiểm tra.
- Đặt khoảng cách từ điểm kiểm tra đến điện tích cho mỗi lần thử và ghi lại cường độ trường.
3 · Thu thập dữ liệu
| Khoảng cách r (m) | Tiềm năng V (V) | Cường độ trường E (N/C) |
|---|---|---|
| 1.00 | ||
| 2.00 | ||
| 3.00 |
Vẽ biểu đồ cường độ trường E (trục y) theo 1/r² (trục x) cho ba lần thử của bạn. Đường thẳng có đi qua gốc tọa độ không?
4 · Phân tích
- Đối với một lần thử, hãy tính E = kq/r² bằng k = 8.99×10⁹ N·m²/C², q = 5 nC. So sánh với bảng.
- Giải thích, bằng cách sử dụng định luật nghịch đảo bình phương, tại sao khoảng cách tăng gấp đôi một phần tư cường độ trường thay vì giảm một nửa.
5 · Gia hạn
- Cột thế năng của bạn (V = kq/r) rơi ra nhẹ nhàng hơn trường (1/r thay vì 1/r²). Giải thích tại sao điện thế và trường có sự phụ thuộc khoảng cách khác nhau mặc dù cả hai đều đến từ cùng một nguồn điện tích.
- Định luật Coulomb E = kq/r² có dạng toán học giống hệt như trường hấp dẫn của Newton g = GM/r². Tại sao hai lực hoàn toàn khác nhau (điện và hấp dẫn) lại có thể có chung cấu trúc nghịch đảo bình phương này?
Vật lý đằng sau thí nghiệm này
Định luật Coulomb
Một điện tích điểm tạo ra một điện trường hướng tâm giảm theo bình phương khoảng cách: E = kq/r², trong đó k = 1 /(4πε₀) ≈ 8.99×10⁹ N·m²/C². Lực tác dụng lên một điện tích thử nghiệm là F = qE.