Измерение электрических полей и зарядов с помощью математического маятника | Статья в журнале «Юный ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 24 апреля, печатный экземпляр отправим 28 апреля.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Научный руководитель:

Высокая практическая значимость Высокая теоретическая значимость

Рубрика: Физика

Опубликовано в Юный учёный №4 (34) апрель 2020 г.

Дата публикации: 26.03.2020

Статья просмотрена: 86 раз

Библиографическое описание:

Прохорко, Я. М. Измерение электрических полей и зарядов с помощью математического маятника / Я. М. Прохорко, А. М. Кириллов. — Текст : непосредственный // Юный ученый. — 2020. — № 4 (34). — С. 77-79. — URL: https://moluch.ru/young/archive/34/1997/ (дата обращения: 15.04.2021).



Покорение космических пространств — давняя мечта человечества. Однако покорение даже ближнего космоса (околоземное пространство) требует больших материальных и энергозатрат. Физические условия в космическом пространстве очень отличаются от тех, с какими сталкивается человек на Земле. Даже при орбитальном движении в околоземном пространстве, например, гравитационное воздействие сводится на нет (состояние невесомости). На орбитальной станции невозможны такие естественные для обычных земных условий явления, как, например, конвекция, горение, стремление к состоянию устойчивого равновесия под действием силы тяжести и др. На человека, на его физиологические процессы отсутствие гравитации (не в смысле гравитационного взаимодействия, а в смысле потери веса) также оказывает огромное влияние. Человек, мечтая о далеких межпланетных путешествиях, должен создавать технику и технологии, применение которых на космическом корабле приближает свойства среды к земным, имитирует их.

Можно говорить, например, о создании искусственной гравитации. Существуют проекты вращающихся вокруг своей оси космических кораблей. Частота вращения должна подбираться таким образом, чтобы возникающие центробежные силы были эквиваленты силе тяжести (т. е. центростремительное ускорение равнялось ускорению свободного падения на Земле). Имитация тяготения Земли может быть основана и на других видах взаимодействия. Например, магнитном или электростатическом.

Рассмотрим более подробно случай электростатического взаимодействия для имитации земных условий на примере математического маятника (рис. 1).

Математический маятник в однородном электростатическом поле заряженной пластины

Рис. 1. Математический маятник в однородном электростатическом поле заряженной пластины

Пусть имеется состояние невесомости. Небольшой шарик, имеющий массу m и заряд + q , находится в однородном электростатическом поле, создаваемом равномерно зяряженной отрицательным зарядом – Q пластиной. Т. е. напряженность поля . Шарик, подвешенный на нити длиной, будет находится под действием постоянной силы электростатического взаимодействия

.(1)

При отклонении шарика от положения равновесия он начнет совершать колебания и, таким образом будет представлять собой математический маятник.

Период математического маятника в поле силы тяжести:

,(2)

где g — ускорение свободного падения (ускорение силы тяжести ). Тогда очевидно, что период колебаний маятника в электростатическом поле будет:

,(3)

где a — ускорение, получаемое под действием силы электростатического взаимодействия

.(4)

Использовав второй закон Ньютона ( ), получаем

.(5)

В результате получаем выражение для периода в виде

,(6)

Подобрав заряд шарика и/или напряженность электрического поля таким образом, чтобы , получим математический маятник, свойства которого будут абсолютно эквивалентны земным.

Однако в «обычных», земных условиях (при отсутствии невесомости) от действия силы тяжести не избавиться. Поэтому маятник будет находиться при взаимном действии гравитационного и электростатического полей (рис. 2).

Математический маятник в однородном электростатическом поле заряженной пластины и гравитационном поле Земли

Рис. 2. Математический маятник в однородном электростатическом поле заряженной пластины и гравитационном поле Земли

В этом случае

.(7)

В результате выражение для периода математического маятника в этом случае будет иметь вид

.(8)

Данная модель может использоваться для измерения напряженности электрического поля или определения электрического заряда (при известных значениях прочих параметров):

,(9)

.(10)

Основное достоинство данной измерительной системы — относительная простота и, несмотря на это, достаточно высокая точность измерений. Несложные прямые измерения периода колебаний при заданных (известных) значениях остальных параметров, входящих в (9) и (10), позволяют косвенно определить значения электрических величин. Другими словами, выполняя механические опыты, проводим электроизмерения.

Основные термины (генерируются автоматически): математический маятник, однородный электростатический пол, электростатическое взаимодействие, околоземное пространство, свободное падение, электрическое поле, действие силы тяжести, состояние невесомости, заряженная пластина.


Похожие статьи

Применение метода аналогии при изучении электростатического...

электростатическое поле, свободное падение, гравитационное поле, величина, пробный заряд, гравитационное поле Земли, единичная масса, потенциальная энергия тела, колебание, заряженное тело.

Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой

Поляризационные процессы в неоднородных диэлектриках лежат в основе многих явлений, происходящих в изоляционной системе высоковольтных трансформаторов и позволяющих оценивать их состояние и срок службы.

Использование компьютерной модели математического...

Маятник — это тело, совершающее под действием приложенных сил (обычно силы тяжести) колебания около неподвижной точки или вокруг оси. Простейший маятник может состоять из груза и прикрепленного к нему тонкого стержня.

Использование эвристического метода при изучении темы...

Частота и период колебаний математического маятника определяются только длиной нити и ускорением свободного падения в данной области пространства в случае свободных

Маятник — это тело, совершающее под действием приложенных сил (обычно силы тяжести).

Демонстрация веса тела и состояния его невесомости...

Это состояние невесомости, в котором вес тела равен нулю. Рис. 4. Свободное падение лифта (движение с ускорением свободного

При изучении понятий веса, невесомости и перегрузки в школе можно использовать простую, легко конструируемую модель лифта для...

К вопросу о динамической устойчивости маятниковых систем

В результате замены в поле силы тяжести можно рассматривать модель маятника с неподвижной опорой (рис. 6), на которую действуют две силы: сила тяжести, направленная по вертикали места и динамическая сила, направленная по оси маятника.

Проектная деятельность при изучении физики колебаний

Например, модель «математический маятник» используется при изучении гармонических колебаний тела в однородном поле тяготения.

Крайний маятник свободно движется, поднимается на высоту h, останавливается и начинает движение вниз.

Конспект урока физики на тему «Закон Кулона» (по учебнику...)

№2. Между двумя точечными заряженными телами сила электрического взаимодействия равна

Похожие статьи. Применение метода аналогии при изучении электростатического... Отдельно изучается сила тяжести как сила, действующая со стороны Земли на любое тело.

Исследовательская деятельность учащихся через интеграцию...

математический маятник, принцип цикличности, свободное падение, урок, учащийся, эксперимент, проведение эксперимента, использование принципа цикличности, научное познание, этап. Похожие статьи.

Похожие статьи

Применение метода аналогии при изучении электростатического...

электростатическое поле, свободное падение, гравитационное поле, величина, пробный заряд, гравитационное поле Земли, единичная масса, потенциальная энергия тела, колебание, заряженное тело.

Электрическое поле в диэлектриках с неоднородной структурой

Поляризационные процессы в неоднородных диэлектриках лежат в основе многих явлений, происходящих в изоляционной системе высоковольтных трансформаторов и позволяющих оценивать их состояние и срок службы.

Использование компьютерной модели математического...

Маятник — это тело, совершающее под действием приложенных сил (обычно силы тяжести) колебания около неподвижной точки или вокруг оси. Простейший маятник может состоять из груза и прикрепленного к нему тонкого стержня.

Использование эвристического метода при изучении темы...

Частота и период колебаний математического маятника определяются только длиной нити и ускорением свободного падения в данной области пространства в случае свободных

Маятник — это тело, совершающее под действием приложенных сил (обычно силы тяжести).

Демонстрация веса тела и состояния его невесомости...

Это состояние невесомости, в котором вес тела равен нулю. Рис. 4. Свободное падение лифта (движение с ускорением свободного

При изучении понятий веса, невесомости и перегрузки в школе можно использовать простую, легко конструируемую модель лифта для...

К вопросу о динамической устойчивости маятниковых систем

В результате замены в поле силы тяжести можно рассматривать модель маятника с неподвижной опорой (рис. 6), на которую действуют две силы: сила тяжести, направленная по вертикали места и динамическая сила, направленная по оси маятника.

Проектная деятельность при изучении физики колебаний

Например, модель «математический маятник» используется при изучении гармонических колебаний тела в однородном поле тяготения.

Крайний маятник свободно движется, поднимается на высоту h, останавливается и начинает движение вниз.

Конспект урока физики на тему «Закон Кулона» (по учебнику...)

№2. Между двумя точечными заряженными телами сила электрического взаимодействия равна

Похожие статьи. Применение метода аналогии при изучении электростатического... Отдельно изучается сила тяжести как сила, действующая со стороны Земли на любое тело.

Исследовательская деятельность учащихся через интеграцию...

математический маятник, принцип цикличности, свободное падение, урок, учащийся, эксперимент, проведение эксперимента, использование принципа цикличности, научное познание, этап. Похожие статьи.

Задать вопрос