--> Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ». Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ
ìîé ÞÒÓÁ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!
ìîé ÒÅËÅÃÐÀÌ êàíàë ïðèêîëüíûõ ÌÓËÜÒÈÊÎÂ!

 


Ñîäåðæàíèå

 

Ãëàâíàÿ >> Ôèçèêà 10 êëàññ. Ìÿêèøåâ

Ãëàâà 14. Ýëåêòðîñòàòèêà

 


§ 96. Ïðèìåðû ðåøåíèÿ çàäà÷ ïî òåìå «Ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ»

Ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íàäî ó÷èòûâàòü, ÷òî ðàáîòà ñèë, äåéñòâóþùèõ íà çàðÿä ñî ñòîðîíû ïîëÿ, âûðàæàåòñÿ ÷åðåç ðàçíîñòü ïîòåíöèàëüíûõ ýíåðãèé èëè ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ (ñì. ôîðìóëó (14.20)). Ïîòåíöèàë îäíîðîäíîãî ïîëÿ îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé (14.16), ïðè ýòîì íàäî âñåãäà óêàçûâàòü, êàê âûáðàí íóëåâîé óðîâåíü ïîòåíöèàëà.

×àñòî ïðè ðåøåíèè çàäà÷ íàäî ó÷èòûâàòü, ÷òî âñå òî÷êè ïðîâîäíèêà â ýëåêòðîñòàòè÷åñêîì ïîëå èìåþò îäèí è òîò æå ïîòåíöèàë, à íàïðÿæ¸ííîñòü ïîëÿ âíóòðè ïðîâîäíèêà ðàâíà íóëþ.

Çàäà÷à 1. Îïðåäåëèòå çíà÷åíèå íàïðÿæ¸ííîñòè è ïîòåíöèàëà ïîëÿ â òî÷êå À, íàõîäÿùåéñÿ íà ðàññòîÿíèè l = 20 ñì îò ïîâåðõíîñòè çàðÿæåííîé ïðîâîäÿùåé ñôåðû ðàäèóñîì R = 10 ñì, åñëè ïîòåíöèàë ñôåðû φ0 = 240 Â.

Ð å ø å í è å. Íàïðÿæ¸ííîñòü ïîëÿ ñôåðû â òî÷êå À

Íàïðÿæ¸ííîñòü ïîëÿ ñôåðû â òî÷êå À

ãäå q0 — çàðÿä ñôåðû. Ïîòåíöèàë ñôåðû è ïîòåíöèàë ïîëÿ â òî÷êå À ðàâíû ñîîòâåòñòâåííî

Ïîòåíöèàë ñôåðû è ïîòåíöèàë ïîëÿ â òî÷êå À ðàâíû

Âûðàæàÿ èç ôîðìóëû (2) çàðÿä ñôåðû q0 è ïîäñòàâëÿÿ ïîëó÷åííîå âûðàæåíèå â ôîðìóëû (1) è (3), ïîëó÷àåì äëÿ íàïðÿæ¸ííîñòè Åë è ïîòåíöèàëà Ôë ñëåäóþùèå âûðàæåíèÿ:

ÅA = φ0R/(R + l)2 ≈ 267 Í/Êë, φA = φ0R/(R + l) = 80 Â.

Çàäà÷à 2. Êàêóþ ðàáîòó À íåîáõîäèìî ñîâåðøèòü, ÷òîáû ïåðåíåñòè çàðÿä q = 3 • 10-8 Êë èç áåñêîíå÷íîñòè â òî÷êó, íàõîäÿùóþñÿ íà ðàññòîÿíèè l = 90 ñì îò ïîâåðõíîñòè ñôåðû ðàäèóñîì R = 10 ñì, åñëè ïîâåðõíîñòíàÿ ïëîòíîñòü çàðÿäà ñôåðû σ = 2 • 10-6 Êë/ì2?

Ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ ïðè ïåðåíåñåíèè çàðÿäà q èç áåñêîíå÷íîñòè â òî÷êó 1

Ð å ø å í è å. Ðàáîòà, ñîâåðøàåìàÿ ïðè ïåðåíåñåíèè çàðÿäà q èç áåñêîíå÷íîñòè â òî÷êó 1 (ðèñ. 14.35), ðàâíà óâåëè÷åíèþ ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè çàðÿäà:

A = ΔWï = Wï1 - W∞.

Òàê êàê ïëîùàäü ïîâåðõíîñòè ñôåðû ðàâíà 4πR2, òî çàðÿä ñôåðû ðàâåí 4πR2σ. Òîãäà ïîòåíöèàë ïîëÿ â òî÷êå 1

Ïîòåíöèàë ïîëÿ â òî÷êå 1

Çàäà÷à 3. Ê çàêðåïë¸ííîìó çàðÿæåííîìó øàðèêó çàðÿäîì +q äâèæåòñÿ ïðîòîí. Íà ðàññòîÿíèè r = r1 ñêîðîñòü ïðîòîíà υ1. Îïðåäåëèòå, íà êàêîå ìèíèìàëüíîå ðàññòîÿíèå ïðèáëèçèòñÿ ïðîòîí ê øàðèêó.

Ð å ø å í è å. Ýíåðãèÿ ïðîòîíà íà ðàññòîÿíèè r1 ðàâíà ñóììå åãî ïîòåíöèàëüíîé è êèíåòè÷åñêîé ýíåðãèé: íà ðàññòîÿíèè rmin (ïðîòîí îñòàíàâëèâàåòñÿ) — òîëüêî ïîòåíöèàëüíîé ýíåðãèè:

Êóëîíîâñêàÿ ñèëà — êîíñåðâàòèâíàÿ, ñëåäîâàòåëüíî, ìîæíî çàïèñàòü çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè:

Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè

Çàäà÷à 4.  öåíòð íåçàðÿæåííîé ìåòàëëè÷åñêîé ñôåðè÷åñêîé îáîëî÷êè ñ âíóòðåííèì ðàäèóñîì R1 è âíåøíèì ðàäèóñîì R2 ïîìåùàþò çàðÿä q (ðèñ. 14.36, à). Îïðåäåëèòå íàïðÿæ¸ííîñòü è ïîòåíöèàë ïîëÿ êàê ôóíêöèè ðàññòîÿíèÿ îò öåíòðà ñôåðû.

Ð å ø å í è å. Åñëè çàðÿä íàõîäèòñÿ â öåíòðå, íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè ìåòàëëè÷åñêîé îáîëî÷êè èíäóöèðóåòñÿ çàðÿä ïðîòèâîïîëîæíîãî çíàêà, à íà âíåøíåé — òîãî æå çíàêà, ÷òî è çàðÿä q. Ïðè ýòîì ñóììà èíäóöèðîâàííûõ çàðÿäîâ ðàâíà íóëþ (çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàðÿäà).

Ñèëîâûå ëèíèè ïîëÿ íà÷èíàþòñÿ íà çàðÿäå q è çàêàí÷èâàþòñÿ íà âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè, à çàòåì îïÿòü íà÷èíàþòñÿ íà âíåøíåé ïîâåðõíîñòè îáîëî÷êè. Íàïðÿæ¸ííîñòü ýëåêòðè÷åñêîãî ïîëÿ âíóòðè ïðîâîäíèêà ðàâíà íóëþ. Êàðòèíà ñèëîâûõ ëèíèé ïîëÿ äàííîé ñèñòåìû àíàëîãè÷íà êàðòèíå ñèëîâûõ ëèíèé ïîëÿ òî÷å÷íîãî çàðÿäà çà èñêëþ÷åíèåì îáëàñòè, çàíèìàåìîé îáîëî÷êîé. Çäåñü ñèëîâûå ëèíèè òåðïÿò ðàçðûâ.

Ñèëîâûå ëèíèè òåðïÿò ðàçðûâ.

Íà ðèñóíêå 14.36, á èçîáðàæåíà çàâèñèìîñòü íàïðÿæ¸ííîñòè Å(r).

Èçîáðàæåíà çàâèñèìîñòü íàïðÿæ¸ííîñòè Å(r)

Ñîãëàñíî ïðèíöèïó ñóïåðïîçèöèè ïîòåíöèàë ëþáîé òî÷êè ïîëÿ ñêëàäûâàåòñÿ èç ïîòåíöèàëà ïîëÿ çàðÿäà q, ïðîâîäÿùåé ñôåðû ðàäèóñîì R1, ñ çàðÿäîì -q è ïðîâîäÿùåé ñôåðû ðàäèóñîì R2 ñ çàðÿäîì +q.

Ïîòåíöèàëû âî âñåõ òî÷êàõ ïðîâîäíèêà ðàâíû

Íà ðèñóíêå 14.36, â èçîáðàæåíà çàâèñèìîñòü ïîòåíöèàëà φ(r).

Ïîñëå çàçåìëåíèÿ øàðèêà â ñèñòåìå áóäåò ïðîèñõîäèòü ïåðåòåêàíèå çàðÿäà

Çàäà÷à 5. Ìåòàëëè÷åñêèé øàðèê ðàäèóñîì R1 = 20 ñì îêðóæèëè òîíêîé ñôåðè÷åñêîé çàðÿæåííîé îáîëî÷êîé, ðàäèóñ êîòîðîé R2 = 40 ñì è çàðÿä q = 2 • 10-6 Êë (ðèñ. 14.37). Îïðåäåëèòå ïîòåíöèàë îáîëî÷êè è çàðÿä øàðèêà ïîñëå òîãî, êàê åãî çàçåìëèëè.

Ð å ø å í è å. Ïîñëå çàçåìëåíèÿ øàðèêà â ñèñòåìå áóäåò ïðîèñõîäèòü ïåðåòåêàíèå çàðÿäà äî òåõ ïîð, ïîêà ïîòåíöèàë øàðèêà íå ñòàíåò ðàâíûì íóëþ.

Ïîòåíöèàë øàðèêà ãäå qx — çàðÿä øàðèêà. Îòñþäà qx = -qR1/R2 = -10-6 Êë.

Çàïèøåì âûðàæåíèå äëÿ ïîòåíöèàëà îáîëî÷êè è ïîäñòàâèì â íåãî âûðàæåíèå äëÿ çàðÿäà qx øàðèêà:

Çàïèøåì âûðàæåíèå äëÿ ïîòåíöèàëà îáîëî÷êè

Çàäà÷è äëÿ ñàìîñòîÿòåëüíîãî ðåøåíèÿ

Íà êàêèõ ó÷àñòêàõ ðàáîòà ïîëÿ ïî ïåðåìåùåíèþ çàðÿäà áûëà ïîëîæèòåëüíîé?

1. Ýëåêòðè÷åñêèé çàðÿä q1 > 0 ïåðåìåñòèëè ïî çàìêíóòîìó êîíòóðó ABCD â ïîëå òî÷å÷íîãî çàðÿäà q2 > 0 (ðèñ. 14.38). Íà êàêèõ ó÷àñòêàõ ðàáîòà ïîëÿ ïî ïåðåìåùåíèþ çàðÿäà áûëà ïîëîæèòåëüíîé? îòðèöàòåëüíîé? ðàâíîé íóëþ? Êàê èçìåíÿëàñü ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ñèñòåìû? ×åìó ðàâíà ïîëíàÿ ðàáîòà ïîëÿ ïî ïåðåìåùåíèþ çàðÿäà?

2. Äâèãàÿñü â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, ýëåêòðîí ïåðåø¸ë èç îäíîé òî÷êè â äðóãóþ, ïîòåíöèàë êîòîðîé âûøå íà 1 Â. Íàñêîëüêî èçìåíèëàñü êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà? ïîòåíöèàëüíàÿ ýíåðãèÿ ýëåêòðîíà?

3. Äâà îäèíàêîâûõ øàðèêà, èìåþùèå îäèíàêîâûå îäíîèì¸ííûå çàðÿäû, ñîåäèíåíû ïðóæèíîé, æ¸ñòêîñòü êîòîðîé k = 103 Í/ì, à äëèíà l0 = 4 ñì. Øàðèêè êîëåáëþòñÿ òàê, ÷òî ðàññòîÿíèå ìåæäó íèìè èçìåíÿåòñÿ îò 3 äî 6 ñì. Îïðåäåëèòå çàðÿäû øàðèêîâ.

4. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó òî÷êàìè, ëåæàùèìè íà îäíîé ñèëîâîé ëèíèè íà ðàññòîÿíèè 3 ñì äðóã îò äðóãà, ðàâíà 120 Â. Îïðåäåëèòå íàïðÿæ¸ííîñòü ýëåêòðîñòàòè÷åñêîãî ïîëÿ, åñëè èçâåñòíî, ÷òî ïîëå îäíîðîäíî.

5. Èçîáðàçèòå ýêâèïîòåíöèàëüíûå ïîâåðõíîñòè áåñêîíå÷íîãî ïðîâîäÿùåãî è ðàâíîìåðíî çàðÿæåííîãî öèëèíäðà.

6. Ó ýëåêòðîíà, äâèæóùåãîñÿ â ýëåêòðè÷åñêîì ïîëå, óâåëè÷èëàñü ñêîðîñòü ñ υ1 ≈ 1 • 107 ì/ñ äî υ2 ≈ 3 • 107 ì/ñ. Îïðåäåëèòå ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó íà÷àëüíîé è êîíå÷íîé òî÷êàìè ïåðåìåùåíèÿ ýëåêòðîíà. Îòíîøåíèå çàðÿäà ýëåêòðîíà ê åãî ìàññå

7. Äâà íåáîëüøèõ ïðîâîäÿùèõ çàðÿæåííûõ øàðà ðàäèóñîì ã ðàñïîëîæåíû íà ðàññòîÿíèè I äðóã îò äðóãà (l > 2ã). Øàðû ïîî÷åð¸äíî íà íåêîòîðîå âðåìÿ çàçåìëÿþò. Îïðåäåëèòå ïîòåíöèàë øàðà, êîòîðûé áûë çàçåìë¸í ïåðâûì. Ïåðâîíà÷àëüíî êàæäûé øàð èìåë çàðÿä q.

Îáðàçöû çàäàíèé ÅÃÝ

A1. Çàðÿæåííàÿ ïûëèíêà äâèæåòñÿ ìåæäó äâóìÿ îäèíàêîâûìè çàðÿæåííûìè âåðòèêàëüíûìè ïëàñòèíàìè, ðàñïîëîæåííûìè íàïðîòèâ äðóã äðóãà. Ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó ïëàñòèíàìè 500 Â, ìàññà ïûëèíêè ñòîëü ìàëà, ÷òî ñèëîé òÿæåñòè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Êàêóþ êèíåòè÷åñêóþ ýíåðãèþ ïðèîáðåòàåò ïûëèíêà ïðè ïåðåìåùåíèè îò îäíîé ïëàñòèíû äî äðóãîé, åñëè å¸ çàðÿä 4 íÊë?

1) 2 ìêÄæ       2) 1 ìêÄæ       3) 4 ìêÄæ       4) 0,08 ìêÄæ

A2. Çàðÿæåííàÿ ïûëèíêà äâèæåòñÿ âåðòèêàëüíî ìåæäó äâóìÿ îäèíàêîâûìè ãîðèçîíòàëüíûìè ïëàñòèíàìè ðàçìåðîì 5X5 ñì, ðàñïîëîæåííûìè íàïðîòèâ äðóã äðóãà íà ðàññòîÿíèè 0,5 ñì, ðàçíîñòü ïîòåíöèàëîâ ìåæäó êîòîðûìè 300 Â. Ÿ êèíåòè÷åñêàÿ ýíåðãèÿ ïðè ïåðåìåùåíèè îò îäíîé ïëàñòèíû äî äðóãîé èçìåíÿåòñÿ íà 1,5 ìêÄæ. ×åìó ðàâåí çàðÿä ïûëèíêè? Ñèëó òÿæåñòè íå ó÷èòûâàéòå.

1) 10 íÊë       2) 1,5 íÊë       3) 5 íÊë       4) 0,25 íÊë

C3. Ïåñ÷èíêà, èìåþùàÿ çàðÿä 10-11 Êë, âëåòåëà â îäíîðîäíîå ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå âäîëü åãî ñèëîâûõ ëèíèé ñ íà÷àëüíîé ñêîðîñòüþ 0,1 ì/ñ è ïåðåìåñòèëàñü íà ðàññòîÿíèå 4 ñì. ×åìó ðàâíà ìàññà ïåñ÷èíêè, åñëè å¸ ñêîðîñòü óâåëè÷èëàñü íà 0,2 ì/ñ ïðè íàïðÿæ¸ííîñòè ïîëÿ 105 Â/ì? Ñèëó òÿæåñòè íå ó÷èòûâàéòå.

C4. Òðè êîíöåíòðè÷åñêèå ñôåðû ðàäèóñàìè R, 2R è 3R (ñì. ðèñ.) èìåþò ðàâíîìåðíî ðàñïðåäåë¸ííûå ïî èõ ïîâåðõíîñòÿì çàðÿäû q1 = +2q, q2 = +q, q3 = +q ñîîòâåòñòâåííî. Èçâåñòíî, ÷òî òî÷å÷íûé çàðÿä q ñîçäà¸ò íà ðàññòîÿíèè R ýëåêòðè÷åñêîå ïîëå ñ ïîòåíöèàëîì φ1 = 100 Â. ×åìó ðàâåí ïîòåíöèàë â òî÷êå À, îòñòîÿùåé îò öåíòðà ñôåð íà ðàññòîÿíèè RA = 2,5R?

 

 

Ðåéòèíã@Mail.ru



Ñîäåðæàíèå

!-- Step 2 - Decide on the place where you want to place the video -->
. Âàæíî, ÷òîáû ñêðèïò áûë ïîñëå áëîêà. Íàïðèìåð, ìîæíî ðàçìåñòèòü ïåðåä òåãîì -->