Ответы на вопросы для защиты лабораторной работы 10 по физике 3

• Название: Ответы на вопросы для защиты лабораторной работы 10 по физике 3
• Дата: 08.12.2022
• Размер: 194.05 Kb.
• Имя файла: Podgotovka_k_zaschite_po_1_2_3_10_14_labam.docx
• Тип: Документы; #834366

^{Ответы на вопросы для защиты лабораторной работы №10 по физике :3}

1. 
   Назовите единицу измерения заряда в системе СИ.
   

Ответ: Кулон = А * с

1. 
   Опишите основные свойства электрического заряда.
   

Ответ: Свойства электрического заряда:

1) электрический заряд существует в двух видах: как положительный, так и отрицательный;

2) в любой электрически изолированной системе алгебраическая сумма зарядов не изменяется;

3) электрический заряд является релятивистски инвариантным: его величина не зависит от системы отсчета, а значит, не зависит от того, движется он или покоится.

2. 
   Сформулируйте основной закон сохранения электрического заряда.
   

Ответ: Основной закон сохранения электрического заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов любой замкнутой системы (системы, не обменивающейся зарядами с внешними телами) остаётся неизменной, какие бы процессы не происходили внутри этой системы.

3. 
   Что такое электрическое поле? Назовите силовую и энергетическую характеристики электрического поля.
   

Ответ: Взаимодействие между зарядами осуществляется через поле. Всякий электрический заряд q изменяет определенным образом свойства окружающего его пространства – создаёт электрическое поле. Электрическое поле – вид материи, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических зарядов.

4. 
   К акое электрическое поле называют однородным?
   

Ответ: Однородное электрическое поле – электрическое поле, в котором напряженность одинакова по модулю и направлению в любой точке пространства.

Приблизительно однородным является электрическое поле между двумя разноименно заряженными плоскими металлическими пластинами. Линии напряженности в однородном электрическом поле параллельны друг другу. (рис 133)

5. 
   Запишите закон Кулона в векторной форме. Как с его помощью определить направление кулоновской силы, действующей на точечный заряд?
   

Ответ: Закон Кулона формулируется с помощью соотношения . Получим закон Кулона в векторном виде. Проведём радиус-векторы зарядов q₁ и q₂. С их помощью введём вектор .

Пусть - сила, приложенная к заряду, на который указывает . Вектор этой силы будет сонаправлен с вектором : .

Умножение правой части на приведёт к изменению зависимости силы от расстояния между зарядами с обратно квадратичной на обратно пропорциональную. Чтобы её скомпенсировать, следует увеличить степень к знаменателе. Теперь можно сформулировать закон Кулона в векторном виде: . При этом .

6. 
   Сформулируйте принцип суперпозиции применительно к кулоновской силе.
   

Ответ: Принцип суперпозиции применительно к кулоновской силе: сила, действующая на заряд со стороны нескольких других зарядов, равна векторной сумме всех сил, действующих на интересующий нас заряд со стороны каждого из окружающих его зарядов в отдельности.

7. 
   Дайте определение вектора напряженности электрического поля Е.
   

Ответ: Напряженность электрического поля в данной точке – векторная физическая величина, характеризующая электрическое поле в данной точке и численно равная отношению силы F, действующей на неподвижный точечный заряд, помещенный в данную точку поля, к величине этого заряда q.

8. 
   Сформулируйте принцип суперпозиции для напряженности электрического поля E
   

Ответ: Принцип суперпозиции для напряженности электрического поля E:напряженность поля, созданного несколькими зарядами в интересующей нас точке, равна векторной сумме напряженностей, созданным каждым из зарядов в этой точке. , где r_i – вектор, соединяющий заряд dq_i с нужной точкой поля.

9. 
   Дайте определение характеристик зарядов, распределенных по нити, поверхности, объему.
   

Ответ: Величина dq (малая порция распределённого заряда (например, поле, созданное заряженной нитью)) может быть выражена следующим образом:

1. 
   Если заряд распределён по линии, то , где - линейная плотность заряда (это заряд единицы длины заряженной нити: );
   
2. 
   Если заряд распределён по поверхности, то , где - поверхностная плотность заряда ( это заряд единицы площади заряженной поверхности: );
   
3. 
   Если заряд распределён по объёму, то , где - объемная плотность заряда ( это заряд единицы объема заряженного тела: ).
   

10. 
    Д айте определение потока вектора напряженности.
    

Ответ: Пусть в некоторой области пространства существует электрическое поле. Выберем в этом поле элементарную площадку . Пусть нормаль к этой площадке образует угол вектором напряженности электрического поля ( модуль вектора n=1).

Потоком вектора напряженности электрического поля через эту площадку называется величина равная , где - элементарный поток вектора напряжённости, - вектор напряженности поля в пределах бесконечно малой площадки площадью ds. Поток напряженности через конечную площадь s равен , если поверхность замкнутая, то интеграл берётся по контуру.

11. 
    Сформулируйте теорему Гаусса для электрического поля в вакууме.
    

Ответ: Теорема Гаусса устанавливает связь между потоком вектора напряжённости через замкнутую поверхность с суммарным зарядом, охваченным этой поверхностью.

Теорема Гаусса: поток вектора напряженности электрического поля через замкнутую поверхность равен отношению суммы зарядов, охваченных этой поверхностью, к электрической постоянной. . ВНИМАНИЕ: в теореме Гаусса отсутствуют характеристики положения зарядов . Это означает, что поток вектора напряженности не зависит от того, как расположены заряды, охваченные замкнутой поверхностью. Более того, поток вектора напряженности не изменится, если изменится взаимное расположение зарядов, охваченных поверхностью.

12. 
    Напишите формулу для расчета напряженности электростатического поля бесконечной прямолинейной равномерно заряженной нити.
    

Ответ: Электростатическое поле – поле, порождённое неподвижными электрическими зарядами. . Чтобы осознать, как мы это получили, прошу обратиться к методичке Давыдкова В.В. часть 2 страница 13.

13. 
    Напишите формулу для расчета напряженности электростатического поля бесконечной равномерно заряженной плоскости.
    

Ответ:

14. 
    Напишите формулу для расчета напряженности электростатического поля внутри и вне равномерно заряженной сферы.
    

Ответ: Снаружи сферы: . Внутри сферы заряда нет, соответственно . Электрическое поле внутри любого проводника, находящегося во внешнем электрическом поле, всегда равно нулю .

15. 
    Дайте определение потенциала электростатического поля .
    

Ответ: Потенциал электростатического поля – скалярная энергетическая характеристика электростатического поля, характеризующая потенциальную энергию, которой обладает единичный положительный пробный заряд, помещенный в данную точку поля. Единица измерения в СИ – вольт (1Дж/Кл). , где - потенциальная энергия взаимодействия заряда с полем. Потенциал – энергетическая характеристика электростатического поля, поскольку определяет энергию заряда q, обусловленную его взаимодействием с электрическим полем: .

16. 
    Сформулируйте принцип суперпозиции для потенциала электрического поля .
    

Ответ: Принцип суперпозиции для потенциала электрического поля : потенциал любой точки поля, созданного несколькими зарядами, равен алгебраической сумме потенциалов, созданных каждым зарядом в данной точке.

17. 
    Ч ему равна работа электростатических сил по перемещению заряда? От чего она зависит?
    

Ответ: Если заряд движется в электростатическом поле, то кулоновская сила совершает работу. Допустим, что заряд перемещается на из точки 1 в электрическом поле точечного заряда . При этом совершается элементарная работа, равная . Учитывая, что кулоновская сила , получаем . Из рисунка видно, что , поэтому .

В конечном перемещении из точки 1 в точку 2 работа электростатических сил . Таким образом, работа по перемещению заряда в электростатическом поле зависит от величины заряда (зарядов), создающего поле, величины перемещаемого заряда и его начального и конечного положений.

18. 
    Как связаны напряженность и потенциал?
    

Ответ: В механике показано, что в консервативных полях выполняется соотношение .

Поскольку в электростатическом поле , а , то или .

В декартовых координатах это выражение имеет вид: . Знак «минус» говорит о том, что вектор напряженности всегда направлен в сторону максимально быстрого уменьшения потенциала.

19. 
    Что такое электрический диполь? Дайте определение дипольного момента.
    

Ответ: Электрический диполь – система из двух одинаковых по величине и противоположных по знаку зарядов, находящихся на расстоянии l друг от друга.

Основной характеристикой диполя является дипольный момент, который по определению равен , где - дипольный момент, q – величина зарядов диполя, l – плечо диполя (вектор, соединяющий заряды и направленный от отрицательного заряда к положительному). Размерность дипольного момента Кл*м.

Дипольный момент есть векторная величина, прямо пропорциональная величине зарядов диполя и расстоянию между ними. Дипольный момент направлен так же, как и плечо диполя – от отрицательного заряда к положительному.

20. 
    Чему равен момент пары сил, действующий на диполь в однородном электрическом поле?
    

Ответ: Если поместить диполь в однородное электрическое поле напряжённостью , то на заряды диполя действуют одинаковые по величине и противоположные по направлению силы .

Векторная сумма этих сил равна нулю, поэтому диполь не будет двигаться поступательно. Но эти силы создают момент пары сил, который стремится повернуть диполь так, чтобы диполь был параллелен силовым линиям. Величина момента пары сил, действующего на диполь равна .

21. 
    Что такое силовые линии и эквипотенциальные поверхности электрического поля? Под каким углом они пересекаются?
    

Ответ: Силовая линия – это линия, касательная к которой в каждой точке совпадает по направлению с вектором напряжённости поля в этой точке. Силовые линии начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Эквипотенциальные поверхности – поверхности, все точки которых имеют одинаковый потенциал.

Угол пересечения равен 90⁰. Пояснение: Если какой-либо заряд перемещается по эквипотенциальной поверхности, то работа электростатических сил равна нулю , так как на эквипотенциальной поверхности . С другой стороны, работа кулоновских сил равна , и если заряд перемещается вдоль эквипотенциали, то она равна нулю ; но это означает, что нулю равен косинус угла между векторами напряженности и элементарного перемещения. Следовательно, угол между ними равен 90⁰.

22. 
    Что такое силовые линии и эквипотенциальные поверхности электрического поля? Где начинаются и заканчиваются силовые линии электростатического поля?
    

Ответ: Ответ есть в 22 вопросе :D

23. 
    Что такое силовые линии и эквипотенциальные поверхности электрического поля? Что характеризует густота силовых линий и эквипотенциальных поверхностей?
    

Ответ: Густота силовых линий выше там, где гуще расположены эквипотенциали. Следовательно, по густоте эквипотенциалей можно судить о напряженности поля – чем гуще эквипотенциали, тем выше напряженность поля.

24. 
    Какие вещества называются проводниками, а какие диэлектриками?
    

Ответ: Диэлектриками принято называть вещества, не проводящие электрический ток.

В молекулах диэлектриков, как и в молекулах других веществ, суммарный положительный заряд ядер всех атомов, образующих молекулу, равен суммарному отрицательному заряду всех электронов.

В общем случае заряд всех ядер молекулы можно заменить одним точечным положительным зарядом. Величина этого заряда равна сумме зарядов ядер всех атомов молекулы, а положение совпадает с положением центра “тяжести” положительных зарядов молекулы.

В свою очередь, суммарный отрицательный заряд электронов молекулы можно заменить одним точечным отрицательным зарядом, расположенном в центре «тяжести» зарядов электронов. Если центры «тяжести» положительным и отрицательных зарядов находятся на расстоянии l друг от друга, то молекулу можно считать диполем с плечом l.

Внесение всех диэлектриков во внешнее электростатическое поле приводит к возникновению отличного от нуля результирующего электрического момента диэлектрика, или, иными словами, к поляризации диэлектрика.

Проводник – вещество, среда, хорошо проводящие электрический ток. Если поместить проводник во внешнее электростатическое поле или его зарядить, то на заряды проводника будет действовать электростатическое поле, в результате чего они начнут перемещаться. Перемещение зарядов продолжается до тех пор, пока не установится равновесное распределение зарядов, при котором электростатическое поле внутри проводника обращается в нуль.

25. 
    Какие диэлектрики называют полярными, а какие - неполярными?
    

Ответ: В отсутствие внешнего электрического поля молекулы диэлектриков первого и второго типа (центры тяжести положительных и отрицательных зарядов совпадают) не обладают собственным дипольным моментом, они неполярны. Поэтому диэлектрики, состоящие из таких молекул, называют неполярными.

В диэлектриках, состоящих из несимметричных молекул (например, NH3, CO, H2O), центры “тяжести” отрицательных и положительных зарядов не совпадают. Следовательно, такие молекулы обладают собственным дипольным моментом. Поэтому их называют полярными.

26. 
    Что такое поляризация диэлектрика?
    

Ответ: При внесении диэлектрика любого типа в электрическое поле происходит его поляризация, т. е. в нём возникает отличный от нуля дипольный электрический момент. Механизм поляризации в каждой группе диэлектриков имеет особенности.

П ри внесении неполярного диэлектрика в электрическое поле под действием кулоновских сил центры «тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы смещаются в противоположных направлениях. В результате центры “тяжести” положительного и отрицательного зарядов оказываются на некотором расстоянии l друг от друга. Молекула неполярного диэлектрика становится диполем с плечом l, направленным параллельно вектору напряжённости электрического поля.

Подобным образом ведут себя и диэлектрики второго типа: под действием кулоновских сил положительные и отрицательные ионы смещаются, что приводит к возникновению дипольных моментов. В полярных диэлектриках внешнее поле вызывает ориентацию молекул – молекулы ориентируются по полю. Сумма дипольных моментов молекул станет отличной от нуля.

27. 
    Какие заряды называются связанными, а какие свободными?
    

Ответ: Связанные заряды – некомпенсированные заряды диполей, которые не могут перемещаться внутри объема или по поверхности диэлектрика.

Свободные заряды – заряды, способные перемещаться внутри проводника.

28. 
    Дайте определение вектора поляризованности Р.
    

Ответ: Степень поляризации любого диэлектрика может быть различной. Поляризация – количественная мера поляризации диэлектрика, векторная физическая величина, определяющая дипольный момент единицы объема диэлектрика. Это величина, равная векторной сумме дипольных моментов молекул в единице объема вещества: . Единица измерения Кл/м².

29. 
    Как связаны векторы поляризованности Р и напряженности Е электрического поля в диэлектрике?
    

Ответ: Поляризованность в диэлектриках всех типов зависит от напряженности электрического поля. Чем больше напряженность электрического поля, тем выше поляризованность диэлектрика. В аналитической форме эта связь имеет вид , где - диэлектрическая восприимчивость (безразмерная величина).

В изотропных средах, свойства которых не зависят от направления, диэлектрическая восприимчивость является скаляром. Поэтому в изотропных диэлектриках направление вектора всегда параллельно направлению .

В анизотропных диэлектриках диэлектрическая восприимчивость, измеренная для направления, параллельного оси х, не равна значению , измеренному для параллельного оси у направления. Поэтому в анизотропных диэлектриках направление вектора в общем случае не параллельно направлению .

30. 
    Почему напряженности Е электрического поля внутри диэлектрика, помещенного в электрическое поле, отличается от напряженности внешнего поля? Ответ обоснуйте.
    

Ответ:

31. 
    Дайте определение диэлектрической проницаемости.
    

Ответ: - диэлектрическая проницаемость вещества. Диэлектрическая проницаемость является основной электрической характеристикой диэлектрика. Диэлектрическая проницаемость – физическая величина, характеризующая свойства диэлектрической среды и показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в этой среде меньше, чем в вакууме. Диэлектрическая проницаемость обусловлена эффектом поляризации диэлектриков под действием электрического поля и определяется характеризующей этот эффект величиной диэлектрической восприимчивости среды.

32. 
    Дайте определение вектора электрического смещения D.
    

Ответ: Электрическое смещение – векторная величина, равная сумме вектор напряженности электрического поля и вектора поляризации. . СИ: Кл/м². Направление электрического смещения в изотропных диэлектриках совпадает с направлением вектора напряженности электрического поля внутри диэлектрика.

33. 
    Чем вызвана необходимость введения дополнительной характеристики электрического поля – D.
    

Ответ: Уменьшение напряженности электрического поля на поверхности диэлектрика происходит скачком ( т.к. на поверхности расположены связанные заряды), что вызывает некоторые сложности при расчётах электрических полей в веществе.

Например, если пространство заполнено несколькими слоями разных диэлектриков, то даже в самой простой ситуации расчёт будет довольно сложным, так как из-за связанных зарядов в каждом слое будет своя напряжённость электрического поля. Поэтому необходима такая характеристика электрического поля, которая не зависит от связанных зарядов. Эта характеристика – электрическое смещение.

34. 
    Сформулируйте теорему Гаусса для электрического поля в диэлектрике.
    

Ответ: Рассчитывать электрическое поле в пространстве с диэлектриком можно с помощью теоремы Гаусса. Применительно к электрическому смещению она в любой среде имеет вид и может быть прочитана следующим образом: поток вектора электрического смещения через замкнутую поверхность равен сумме свободных зарядов, охваченных этой поверхностью.

35. 
    Чему равна напряженность поля внутри проводника, помещенного в электростатическое поле?
    

Ответ: Электрическое поле внутри любого проводника, находящегося во внешнем электрическом поле, всегда равно нулю .

36. 
    Как соотносятся потенциалы точек на поверхности и внутри проводника, помещенного в электростатическое поле?
    

Ответ: Поскольку , постольку потенциал проводника во всех точках одинаков , значит поверхность проводника является эквипотенциальной. Внутри проводника потенциалы так же равны.