ПЕДАГАГІЧНАЯ СКАРБОНКАФизика · 10 класс · § 19
Увидеть. Изменить. Понять.

§ 19. Напряжённость электростатического поля. Принцип суперпозиции

Почему в одной точке поля от нескольких зарядов могут усиливать или компенсировать друг друга?

Объясняющая модельСхемы и примеры10 вопросов с разбором
Главный вопрос

Почему в одной точке поля от нескольких зарядов могут усиливать или компенсировать друг друга?

Наблюдаем и объясняем

Сложение двух полей на оси

Перемещай точку между источниками и меняй заряды. Сравни отдельные вклады и результирующую.

Схему можно прокрутить вбок. Все значения повторены в расчёте ниже.

2 нКл
2 нКл
0 см

Источники в x = −20 и +20 см. Вакуум. Точка не совпадает с источниками. Все стрелки напряжённости нормируются в одном масштабе внутри текущего рисунка.

01

Определение: поле независимо от пробы

Напряжённость E⃗ = F⃗/q — векторная характеристика поля. Единица Н/Кл, эквивалентная В/м. В определении q учитывают со знаком: для отрицательной пробы сила противоположна E⃗.

Если источник и точка неизменны, изменение пробного заряда не меняет E. Направление поля определяют по силе на положительную пробу. Нулевое поле в точке означает отсутствие результирующей электрической силы на точечную пробу в этой точке.

Определение

E⃗ = F⃗/q

Сила

F⃗ = qE⃗

Единицы

1 Н/Кл = 1 В/м

Напряжённость относится к полю, а сила зависит ещё и от пробного заряда.

Почему отрицательное q не делает модуль E отрицательным?

Знак влияет на направление векторного отношения. Модуль напряжённости остаётся неотрицательным.

02

Точечный источник: модуль и направление

В вакууме модуль поля точечного заряда E = kₑ|Q|/r². Для Q > 0 поле направлено от источника, для Q < 0 — к источнику. При удвоении расстояния E уменьшается в четыре раза.

Поле в самой точке идеального источника этой формулой не вычисляют: r = 0 приводит к сингулярности модели. На практике размеры источника и его распределение заряда становятся существенными.

Заряд источника Q

Задаёт величину и ориентацию

Расстояние r

Определяет множитель 1/r²

Проба q

Нужна только для силы qE⃗

Не следует путать заряд источника Q с пробным зарядом q.

Если проба удвоилась, увеличилось ли поле вдвое?

Нет, при неизменном источнике и пренебрежимо малом влиянии пробы удвоилась сила, а поле осталось прежним.

Линии поля и эквипотенциальные линии диполя

В каждой точке складываются векторы полей двух источников. Нулевой общий заряд диполя не означает нулевого поля повсюду.

File:VFPt charges plus minus.svg: Geek3 / derivative work: MikeRun · CC BY-SA 3.0 · Источник. Без изменений.

Исторический электроскоп

Сила на заряженную деталь зависит и от поля, и от её заряда. Поэтому поле характеризуют отношением F к пробному заряду.

Rama · CC BY-SA 3.0 fr · Источник. Без изменений.

03

Суперпозиция: складываем векторы

Полное поле нескольких источников E⃗ = E⃗₁ + E⃗₂ + … . Сначала находят поле каждого источника в одной и той же точке, затем складывают векторы. Складывать модули можно только для одинаковых направлений.

Между двумя равными положительными зарядами в середине поля компенсируются. Между равными разноимёнными зарядами оба поля направлены от плюса к минусу и складываются. При произвольной геометрии удобно складывать проекции.

Суперпозиция: складываем векторы: сравнение
ИсточникиВ середине между ними
Равные положительныеПоля противоположны, сумма ноль
Равные отрицательныеПоля противоположны, сумма ноль
Равные разноимённыеПоля сонаправлены, модули складываются

Суперпозиция требует векторного сложения в выбранной точке.

Исчезают ли отдельные поля, если их сумма нулевая?

Нет. Компенсируется результирующее действие. При смещении из точки равенство вкладов может нарушиться.

04

Пример: две оси вместо догадки

Если E₁ = 300 Н/Кл вправо, а E₂ = 400 Н/Кл вверх, модуль суммы √(300² + 400²) = 500 Н/Кл. Для положительной пробы 2 нКл модуль силы 10⁻⁶ Н, то есть 1 мкН.

Интерактив сравнивает поля двух зарядов на общей оси. Стрелки отдельных вкладов вынесены на разные строки, чтобы было видно компенсацию. Суммарная стрелка не является третьим независимым источником.

Найти каждый вклад

С модулем и направлением

Сложить проекции

Eₓ = ΣEᵢₓ, Eᵧ = ΣEᵢᵧ

Вычислить силу

F⃗ = qE⃗ при необходимости

Результирующее поле не нужно повторно добавлять к уже учтённым вкладам.

Почему модуль суммы 300 и 400 может быть 500, а не 700?

В этом примере векторы перпендикулярны; используется теорема Пифагора.

Соберём главное

Шесть выводов

01Напряжённость относится к полю, а сила зависит ещё и от пробного заряда.
02Не следует путать заряд источника Q с пробным зарядом q.
03Суперпозиция требует векторного сложения в выбранной точке.
04Результирующее поле не нужно повторно добавлять к уже учтённым вкладам.
05Перед сложением полей все вклады вычисляют в одной точке.
06Для поля точечного заряда важен квадрат расстояния.
Тест · 10 вопросовОдин правильный ответ в каждом вопросе

Сначала изучи модель и конспект. За каждый верный ответ — 0,5 балла, максимум — 5. После проверки откроются пояснения.

1. Как определяется напряжённость поля?
2. Какая единица напряжённости эквивалентна Н/Кл?
3. Как зависит E точечного источника от расстояния в вакууме?
4. Как складываются поля нескольких источников?
5. Чему равно поле в середине между двумя равными положительными зарядами?
6. Как направлено поле в середине между равными разноимёнными зарядами?
7. Поля 300 и 400 Н/Кл взаимно перпендикулярны. Каков модуль суммы?
8. Что означает нулевая сумма полей в точке?
9. При E = 500 Н/Кл и q = 2 нКл чему равен модуль силы?
10. Что изменится при замене пробы +q на −q в той же точке неизменного поля?

Учебный источник и иллюстрации

Основа: предоставленный учебник «Физика, 10 класс», § 19. Тема и содержание сверены с файлом «10 класс. Физика — § 19. Напряжённость электростатического поля.pdf». Объяснения, расчётные примеры и модели подготовлены для этого конспекта. Дополнительные зависимости в моделях отмечены отдельно.

Изображения загружаются непосредственно из интернета. Авторство и лицензии указаны под каждой иллюстрацией. Размеры и цвета учебных схем условны; ограничения каждой модели указаны рядом.

↑

Загрузка прогресса…