ЭКСПЕРИМЕНТ

А.С.ПЛЕСОВСКИЙ,
женская гимназия, г. Сыктывкар, Республика Коми

Закон Кулона и электрофорная машина

Определение напряжённости электрического поля между разрядниками электрофорной машины и напряжения на этих разрядниках

1. Собираем установку по рис. 1, состоящую из электрофорной машины и приспособления (рис. 2).

Приспособление представляет собой согнутый в виде буквы «П» лист органического стекла (толщина 4 мм, ширина 40 мм) – держатель, на котором укреплены две полые стеклянные трубки (диаметр 8 мм, длина 150 мм), разнесённые на 20 мм. Они являются направляющими, по которым свободно катается теннисный шарик, оклеенный алюминиевой конденсаторной фольгой. Приспособление может устанавливаться под некоторым углом к горизонту, для чего к держателю снизу приклеен уголок из оргстекла (высотой 40 мм), который позволяет крепить приспособление в лапке штатива.

В боковых стенках держателя просверлены по два отверстия, куда свободно вставляются трубки-полозья. По этим же полозьям можно перемещать и жестяные электроды, вырезанные из коробок для киноплёнок, для чего в них на расстоянии 20 мм друг от друга просверлены два отверстия.

2. Устанавливаем приспособление под углом к горизонту, кладём на трубки шарик, ставим электроды на определённом расстоянии друг от друга, подключаем их к разрядникам электрофорной машины и вращаем ручку. Добиваемся того, чтобы теннисный шарик остановился в положении равновесия. Говорим учащимся, что поле обладает силовой характеристикой, и рассматриваем силы, действующие на шарик (рис. 3).

Выбираем систему отсчёта, направляя ось Х вдоль трубок. Пренебрегая трением, записываем:

F_эл + mg + N = 0.

В проекции на ось X

F_эл + mg_x = 0.

где Е – напряжённость поля, q – заряд шарика, m – масса шарика.

Величину заряда можно найти экспериментально, пользуясь законом Кулона (для простоты считаем шарик точечным) и решив cтандартную экспериментальную задачу со «своими» данными:

• Два одинаковых шарика массами по 20 г, подвешенные на двух нитях длиной по 25 см в одной точке, имеют одинаковый по величине и знаку заряд. Расстояние между ними 7 см. Определите величину зарядов.

Акцентируем внимание учащихся на том, что поставленную в начале урока задачу – найти напряжённость поля и напряжение на разрядниках электрофорной машины – можно решить, узнав величину заряда шарика, воспользовавшись, например, законом Кулона. Такой подход вызывает большой интерес у учащихся.

Берём ещё один такой же фольгированный шарик, подвешиваем оба на одинаковых нитях в одной точке и соединяем оба шарика с одним из разрядников электрофорной машины, не меняя их взаимного расположения. Шарики расходятся на расстояние x, которое можно измерить (рис. 4). В нашем опыте при длине нити 25 см получилось x  7 см,  7,5°.

В выбранной системе отсчёта F_эл + F_упр + mg = 0.

В проекции на ось Х

Поскольку , то:

Тогда

Подставляя оценочные значения из экспериментальной задачи, получим:

Напряжённость электрического поля между электродами приспособления в точке, где находится шарик, приблизительно равна:

[Считаем, что напряжённость электрического поля между электродами постоянна. – Ред.] Тогда напряжение между электродами равно U = E • l, где l – расстояние между ними. Подставив числовые значения, получим U10⁵ В. Напряжение на разрядниках электрофорной машины будет таким же, как между электродами нашего приспособления, а если и расстояние между разрядниками будет таким же, как между электродами приспособления, то и напряжённости электрического поля будут одинаковыми.

Установку можно использовать при изучении электрического тока (условия его возникновения и существования); при введении напряжения электростатического поля. Её можно поставить вертикально (или близко к этому) и добиться того, чтобы шарик в электрическом поле висел (задачи на равновесие заряда в электрическом поле). Можно продемонстрировать опыт с определением величины элементарного заряда (надо осветить ультрафиолетом шар, обёрнутый в фольгу). Опыты лучше всего проводить с большой электрофорной машиной.

ДОПОЛНЕНИЕ РЕДАКТОРА. Демонстрации и их качественное объяснение представляют интерес. Однако неплохо было бы добавить физическое содержание. В обеих установках мы наблюдаем перемещение шарика (или двух шариков) одновременно в электрическом и в гравитационном полях. Оба поля являются потенциальными, поэтому работа сил этих полей зависит только от начального и конечного положений тел и не зависит от пути. В обоих экспериментах изменение положения каждого шарика приводит к увеличению потенциальной энергии системы на mgh, где h – высота подъёма шарика по вертикали. Одновременно на столько же уменьшается потенциальная энергия электрического поля системы заряженных тел. Подсчитать изменение потенциальной энергии шарика в гравитационном поле достаточно просто (см. рис. 3, 4), но изменение потенциальной энергии электрического поля значительно сложнее. Надо иметь в виду, что в случае расталкивания двух шариков учитывается взаимодействие только двух зарядов по закону Кулона, а в установке с полозьями присутствует ещё и третий заряд (второй электрод), – он имеет противоположный знак и притягивает подвижный шарик. В этом заключается существенное отличие двух описанных установок, что следует учитывать при вычислении зарядов и изменений потенциальной энергии электрического поля. Чтобы можно было использовать результаты измерений, проведённые на второй установке, следует иметь в виду, что изменения потенциальной энергии на обеих установках вследствие подъёма шарика (шариков) должны быть одинаковыми.

В.А.КОЗЛОВ

Альберт Степанович Плесовский окончил Коми ГПИ в 1961 г. и 40 лет проработал учителем физики в СШ № 3 г. Печоры. Сейчас работает учителем физики в женской гимназии г. Сыктывкара. Участник VI Всесоюзных педагогических чтений, отличник просвещения, заслуженный учитель школ России и Республики Коми. Награждён медалью им. Н.К.Крупской. В свободное время любит работать на даче, ходить в лес за ягодами и грибами, охотиться и рыбачить. У Альберта Степановича четверо внучек, две из них – школьницы, отличницы. Жена – заслуженная учительница РФ, теперь на пенсии, заядлая дачница. Дочь – учительница математики и информатики.